【类加载机制】从一道面试题开始

0x01.某厂面试题

请阐述Java自带哪些加载器以及对应的职责？

(1)Bootstrap ClassLoader(启动类加载器)：负责加载\lib目录，或-Xbootclasspath指定目录下的jar。
特殊说明：JVM认为合理的jar文件名才会被加载，例如：rt.jar、tools.jar，文件名不符合的jar即使放在上述目录下也不会被加载。

(2)Extension ClassLoader(扩展类加载器)：负责加载\lib\ext目录，或java.ext.dirs指定目录下的jar。
特殊说明：Java9以后引入了模块化机制，此加载器被此机制取代。

(3)Application ClassLoader(应用程序类加载器)：负责加载用户类路径(ClassPath)上的jar包。

此题出处：周志明的《深入理解Java虚拟机》-7.4.类加载器，变形题很多：
例如：请你选出哪些不是Java自带的类加载器；
例如：给出各类类加载器的描述、职责，选错误的；
例如：将上述类加载器的特殊说明作为干扰选项；——这种题可以无情坑杀很多程序猿...

0x02.不要背，要理解

至此，我们似乎没必要大费周章地解读这样一道记忆题。背下来不就可以了吗？笔者认为不是：
发展24年的Java及JVM，历经若干版本的商业斗争(A new future for Java)，衍生出若干语(语)言(法)特(陷)性(阱)。
"背下来就行"的前提有二，可惜对于Java这些语(语)言(法)特(陷)性(阱)都不成立：

(1)知识输入是无二义性的、与时俱进的。
(2)知识输入是有限集。

所以，笔者坚定的认为唯Java程序员最有资格喊出"我秃了，我也变强了"。
所以，笔者坚定的认为唯"深刻理解JVM"(即，深刻理解语法特性到JVM层，甚至操作系统层)，是Java程序员的最有效的防秃良药。

0x03.从韩国星工厂看类加载机制的全貌

From《深入理解Java虚拟机》-周志明

Java虚拟机将描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终变成被虚拟机可以直接使用的Java类型，这个过程被称作Java虚拟机的类加载机制......与那些在编译时需要进行连接的语言不同，在Java语言里面，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的......用户可以通过Java预置的或自定义类加载器...作为其程序代码的一部分。

从这段经典且严谨的描述，我们可以抽象8个问题，以此宏观地获得类加载机制的全貌：

问题1：加载什么？
问题2：加载得到了什么？
问题3：从哪里加载？
问题4：加载到哪里去？
问题5：何时加载？
问题6：加载流程有几步？
问题7：加载流程如何实现？
问题8：类加载器的约束？

(1)加载什么？

我们在.java文件中编写了一堆代码，被转换成字节码(.class文件)，JVM加载就是这个字节码。
这个字节码描述的信息^[1]包括(但不限于)：

有哪些类、哪些接口；
每个类有哪些属性、行为；
类和类的关系；
...

这些信息就是程序员定义的"模板"，在程序运行时，当需要基于类A创建实例对象a时，JVM就要先找到类A对应的"模板"。

这些"模板"，就像韩国星工场包装女团时的"剧本"，每个女星都是基于某个"模板"创建的实例对象，女星的身高、体重、才艺就是"模板"中描述的"属性、行为"。

[1]:本文聚焦类加载机制的全貌，以后再其他文章展开

(2)加载得到了什么？

字节码加载到内存后得到的信息内容还是(1)中提到的字节码中包含的信息，但信息形式变了，抽象、简单地理解为JVM能认识的数据结构^[2]。

这就像娱乐公司的策划团队在电脑上写好了女团出道的"剧本"，女团的经纪人要无差错地仔细阅读"剧本"的电子件，把"剧本"存储在大脑中，以备后续使用。

[2]:本文聚焦类加载机制的全貌，以后再其他文章展开

(3)从哪里加载？

用一张表，说明字节码文件与经纪人的类比关系：

字节码文件在哪里？	剧本在哪里？
在本地磁盘上，JVM在指定目录去查找	在电脑上，经纪人去指定目录去打开看
在网络上，JVM在指定网络路径上去查找	在某个网站上，经纪人去这个网站上看
JVM根据某些规则动态生成	经纪人自行加戏，随机应变

这一点也是JVM给Java程序员的自由，很多著名的产品就是在这个点上做了文章。

(4)加载到哪里去？

这个问题最好回答：内存，具体指的是JVM的运行时数据区，再具体一点是运行时数据区中的方法区^[3]

[3]:本文聚焦类加载机制的全貌，以后再其他文章展开

(5)何时加载？

类加载发生在运行时，这也是Java、C#这类语言推崇的动态性。

动态性是一把双刃剑，运行时加载意味着需要"边执行，边连接"。
这就好像女团经纪人不是提前把"剧本"烂熟于胸，而是到了女团演出现场，才掏出"剧本"，现场理解、现场执行。
以现实生活的经验，这样的经纪人，看起来不太靠谱。

当然，动态性一定是源于某些特定场景和需求，Java为了靠谱，也引出了虚拟机中另一个大的课题：JIT(即时编译)，围绕着"如何提升运行时的编译效率"会有很多有趣的故事。

(6)加载流程有几步？

在(2)中我们提到女团的经纪人要无差错地仔细阅读"剧本"的电子件，关键词是无差错
我们再用一张表，类比一下^[4]

加载流程？	经纪人阅读剧本的流程？
STEP1.加载(Load)：将字节码文件变成内存的数据结构	STEP1.加载：经纪人打开剧本，读了一遍剧本
STEP2.连接(Link)	STEP2.连接
STEP2.1.验证(Verify)：验证文件格式、元数据、字节码、符号引用，最终保证JVM的安全可靠	STEP2.1.验证：经纪人若有所思的翻了翻剧本，确认没拿错剧本吧？不会是包装男团的剧本吧？
STEP2.2.准备(Prepare)："static"的内存分配与赋值	STEP2.2.准备：女团不管包装几个人(实例)，她们肯定需要一个训练房(static变量)，现在就租好
STEP2.3.解析(Resolve)：符号引用转为直接引用。例如：类A有个成员变量，类型是类B，类B在哪呢？	STEP2.3.解析：剧本中Lisa的那一页说她出道前在一个泰国舞团，泰国舞团的资料在剧本附件2，经纪人如果需要查看泰国舞团资料的时候，就知道去翻附件2
STEP3.初始化(Init)：执行构造函数，触发关联类的解析	STEP3.初始化：经纪人前期准备差不过了，可以给Lisa(实例)打个电话：Lisa同学，快来做一下出道前的准备(构造函数)

表格中存在不严谨(通俗)的表达，但相信读者已经关注到了两个核心要点：

(1)加载流程有几步
(2)每一步的作用是什么

[4]:上述加载流程每一步存在一些JVM实现的细节，例如：上述步骤一定是顺序执行的吗？例如：直接引用需要反复解析吗？这些都有必要详细解读，本文暂不展开。

(7)加载流程如何实现？

至此，终于可以和本文开头的面试题呼应上了，前文我们探讨了

加载什么=>加载得到了什么=>从哪里加载=>加载到哪里去=>何时加载=>加载流程有几步

那么这都是JVM的规范、规格，怎么实现？类加载器就是类加载机制的具体实现。
不同类型的加载器相当于公司不同的角色，都去自己专属的文件夹去查找并加载类

Bootstrap加载器相当于经济公司老板
Extension加载器相当于经纪人
Application加载器相当于女团艺人

(8)类加载器的约束？

既然有不同的类加载器，它们之间必然有配合关系，否则两个人干了同一个工作，对外口径还不同，咋办？
JVM定义了这种配合关系，还取了个高大上的名字"双亲委派模型"，笔者认为这种模型应该叫"保姆式管理模型"
还是一张表类比一下：

双亲委派模型	保姆式管理模型
STEP1.程序需要加载一个类	STEP1.记者问Lisa：某天晚上和你一起上车的神秘男子是谁？
STEP2.Application加载器一脸懵逼的问Extention加载器，领导，你能加载不？	STEP2.Lisa一脸懵逼的问经纪人，欧巴，你帮我回答一下嘛？
STEP3.Extention加载器无助的看着Bootstrap加载器，领导，你能加载不？	STEP3.经纪人无助的看看经纪公司老板，老大，还是你回答一下吧
STEP4.Bootstrap加载器无奈的摇摇头：试试看吧，我能加载就加载，不能的话，Extension，还是你自己试试	STEP4.老板摇摇头：试试看吧，我能回答就回答，不能答复，经纪人，你自己试试
STEP5.(假设Bootstrap不能加载)Extension无奈的摇摇头：我自己试试吧，不能加载的话，Application，你自己试试吧。	STEP6.(假设老板不能答复)经纪人苦笑了：我试试吧，不能回答，Lisa，你自己上吧。
STEP7.(假设Extension不能加载)：Application自己来吧	STEP7.(假设经纪人不能回答)Lisa娇羞道的回答记者：恩~~伦家也不知道...反正不是蔡徐坤...

双亲委派模型，本质上是说"领导先上，领导不行我再上"。
这种管理风格，自然也有弊端。历史上有4次破坏双亲委派模型^[5]的事件。
破坏双亲委派模型的本质，是"管理团队的风格多样化"，例如："扁平化团队"、"先干了再说团队"等等。
[5]:每种"管理风格"也各有利弊，这也是JVM发展历程中可以仔细学习的技术点，笔者在后续文章中再来探讨。

0x03 小结

我们从一道面试题开始，通过8个问题看到了类加载机制的全貌。

加载什么->加载得到了什么->从哪里加载->加载到哪里去->何时加载->加载流程有几步->加载流程如何实现->类加载器的约束

本文篇幅有限，还留下了一些重要、有趣的细节，未来笔者还会继续展开

字节码描述的信息
JVM能认识的数据结构
方法区的结构
加载流程每一步存在一些JVM实现的细节
破坏双亲委派模型

最后，笔者还想谈谈"理解优于记忆"的个人观点：深入理解JVM的原理对于实战的意义就是"先验知识"，是"性能调优、内存泄露、OSGI"等疑难杂症、高级框架的"基础"，如果能看到这类面试题背后的Why、What、How，您就获得了探寻计算机秘境的不二法门。