Java类的加载过程以及SPI机制

前言

网上写类加载过程与SPI的文章还是挺多的，但写文章主要目的还是巩固自己的学习，如果能帮助到其他人那再好不过了。所以总结下比如线程上下文类加载器Thread.currentThread().getContextClassLoader()还有JDK SPI与Spring SPI的实现原理。

类的加载过程

类的加载过程主要分为加载->连接->初始化。连接过程又可分为三步:验证->准备->解析
1.加载：使用类加载器加载类文件的字节流到方法区，在内存中生成Class对象。
2.验证：文件格式验证->元数据验证->字节码验证->符号引用验证。
文件格式验证就是校验Class文件规范，这几种验证在虚拟机规范里有介绍，这里不详细说明
3.准备：在方法区为类变量（static）分配内存，并初始化默认值。
类变量如果是基本数据类型，引用和实例都在方法区
如果引用数据类型，引用在方法区，实例在堆中
4.解析：将常量池内的符号引用替换成直接引用。
直接引用：直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄
5.初始化：执行类初始化的代码逻辑（按照顺序为：类的静态变量和静态代码块赋值->成员变量和构造代码块赋值->构造器赋值）
类的初始化只有满足触发条件才会被初始化，而虚拟机规范里明确规范了一些触发条件：
1）遇到4类字节码指令（new,getstatic,putstatic,invokestatic ）
创建类的实例对象，访问类的静态变量，赋值类的静态变量，调用类的静态方法
2）使用reflect包的方法对类进行反射调用：如Class.forName(“xxx”)等
3）初始化一个类前，会先触发父类的初始化：即super()需要在构造方法第一行
4）虚拟机启动时，会先初始化主类（main方法所在的类）
还有java7与java8中更新的两种情况用的比较少就不说了，方法区即Java8中的元空间，随着JDK版本更新一些信息都有可能会改变
主要触发条件是创建类的实例变量，这又与对象创建有关，所以下面说对象的创建过程
6.卸载：类不再被引用，类的Class对象被GC。（补充：卸载类之前，该类的类加载器实例需被GC）

对象的创建过程

对象的创建过程主要分为类加载检查->分配内存->初始化零值->设置对象头（->执行初始化方法）。
1.类加载检查：
比如JVM遇到new指令，会检查指令参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用，并检查这个符号引用代表的类是否已被加载、连接和初始化过。如果没有则执行该类的加载过程。

而JVM遇到static相关指令（比如访问修改ClassA类中的static ClassB varA变量），则检查ClassA的加载-验证，而ClassA的验证过程中如果发现ClassB未被加载，则又触发ClassB的加载-连接-初始化。
2.分配内存
JVM为新生对象分配内存，这个过程涉及到内存分配方式和内存分配并发问题，不了解可以自行学习。
3.初始化零值
JVM将分配到的内存空间都初始化为零值。（不包括对象头，对象分为对象头、实例数据、对齐填充）
4.设置对象头
对象头分为标记字段和类型指针，比如设置标记字段的对象的哈希码，分代年龄和锁标志位信息。
这和对象回收，锁升级有关，这里不详细说，不了解可以自行学习。
5.执行初始化方法（比如Servlet初始化阶段的init()方法）：
在JVM层次对象已经创建，在程序代码层次，对象创建完成前还需执行初始化动作。

类的初始化与对象创建紧密相关，比如上文提到的类初始化过程中，静态变量的访问、赋值，调用静态方法以及创建实例对象，都涉及到静态对象或实例对象的创建。因此类加载过程的部分内容，也是对象创建过程的一部分。

双亲委派模型

Java类加载主要依据双亲委派模型进行加载，大家应该都很熟悉。

bootstrap classloader ------- 对应jvm中某c++写的dll类，
Extenson ClassLoader ---------对应内部类ExtClassLoader，
System ClassLoader ---------对应内部类AppClassLoader，
Custom ClassLoader ----------对应任何URLClassLoader的子类
以上四种classloder按照从上到下的顺序，依次为下一个的parent

        抽象类 ClassLoader
				   |
            SecureClassLoader
                   |
            URLClassloader
             |           |                
 sun的ExtClassLoader   sun的AppClassLoader

（自定义类加载器步骤：
1、编写一个类继承自ClassLoader抽象类。
2、复写它的findClass()方法。
3、在findClass()方法中调用defineClass()。
自定义类加载器也可以继承SecureClassLoader或ClassLoader）
类加载步骤：
1、 一个AppClassLoader查找资源时，先看看缓存是否有，缓存有从缓存中获取，否则委托给父加载器。
2.、递归，重复第1部的操作。
3.、如果ExtClassLoader也没有加载过，则由Bootstrap ClassLoader出面，它首先查找缓存，如果没有找到的话，就去找自己的规定的路径下，也就是sun.mic.boot.class下面的路径。找到就返回，没有找到，让子加载器自己去找。
4.、BootstrapClassLoader如果没有查找成功，则ExtClassLoader自己在java.ext.dirs路径中去查找，查找成功就返回，查找不成功，再向下让子加载器找。
5.、ExtClassLoader查找不成功，AppClassLoader就自己查找，在java.class.path路径下查找。找到就返回。如果没有找到就让子类找，如果没有子类会抛出各种异常。

SPI机制

JDK SPI机制

但按照双亲委派模型不能解决所有的类加载问题，Java中定义了许多SPI（服务者提供接口，ServiceProviderInterface的缩写），这些接口并未实现，由第三方进行实现，例如JDBC、JNDI等。依据双亲委派模型，SPI的接口是Java核心库的一部分，由BootStrapClassLoader加载的；SPI实现的Java类一般是由AppClassLoader来加载。

因此JDK定义了线程上下文加载器（Thread.currentThread().getContextClassLoader）这个概念，它并不是真实存在的，可以理解为线程的一个属性，在BootStrap类加载器加载的类中通过它获取到了AppClassLoader，可认为通过它获取下层类加载器，来绕开双亲委托的机制。

以JDBC为例，mysql驱动jar包下META-INF/services目录下有一个以 接口全限定名 （java.sql.Driver）为命名的文件,内容为实现类的全限定名（com.mysql.cj.jdbc.Driver）

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        return ServiceLoader.load(service, cl);
}

上文提到过：类不能被重复加载，而卸载类之前，该类的类加载器实例需被GC
因此热部署的原理就是
1）销毁该自定义ClassLoader
2）更新class类文件
3）创建新的ClassLoader去加载更新后的class类文件

Spring类SPI机制

Spring中有类似JDK的SPI机制，通过SpringFactoriesLoader代替JDK中的ServiceLoader， 通过META-INF/spring.factories文件代替META-INF/service目录下的描述文件
Spring的SPI也更加灵活，可以根据资源文件的URL，就可以构造相应的文件来读取资源内容
不必要key是接口， 值是实现类。
Spring boot使用此方式来处理自动配置的bean: key是注解，值是被标记@Configuration的类
(如key是org.springframework.boot.autoconfig.EnableAutoConfiguration)
读取资源获取类的全限定名，然后通过反射构造类的实例

# Application Listeners
org.springframework.context.ApplicationListener=\
org.springframework.boot.autoconfigure.BackgroundPreinitializer
.................
# Auto Configure
org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
org.springframework.boot.autoconfigure.admin.SpringApplicationAdminJmxAutoConfiguration,\
org.springframework.boot.autoconfigure.aop.AopAutoConfiguration,\
.................

public static final String FACTORIES_RESOURCE_LOCATION = "META-INF/spring.factories";
// spring.factories文件的格式为：key=value1,value2,value3
// 从所有的jar包中找到META-INF/spring.factories文件
// 然后从文件中解析出key=factoryClass类名称的所有value值
public static List<String> loadFactoryNames(Class<?> factoryClass, ClassLoader classLoader) {
    String factoryClassName = factoryClass.getName();
    // 取得资源文件的URL
    Enumeration<URL> urls = (classLoader != null ?  
    classLoader.getResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION) :  
    ClassLoader.getSystemResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION));
    List<String> result = new ArrayList<String>();
    // 遍历所有的URL
    while (urls.hasMoreElements()) {
        URL url = urls.nextElement();
        // 根据资源文件URL解析properties文件，得到对应的一组@Configuration类
        Properties properties = PropertiesLoaderUtils.loadProperties(  
        												new UrlResource(url));
        String factoryClassNames = properties.getProperty(factoryClassName);
        // 组装数据，并返回
        result.addAll(Arrays.asList(
        		StringUtils.commaDelimitedListToStringArray(factoryClassNames)));
    }
    return result;
}

Spring中还有converter SPI和formatter SPI：
converter可以用做任意两个类型之间的转换， formatter用做string类型和其他类型之间的转换
有错误帮忙指出，有问题可以探讨