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 直擊面試

• 看你簡(jiǎn)歷寫(xiě)得熟悉JVM，那你說(shuō)說(shuō)類(lèi)的加載過(guò)程吧?
• 我們可以自定義一個(gè)String類(lèi)來(lái)使用嗎?
• 什么是類(lèi)加載器，類(lèi)加載器有哪些?
• 多線(xiàn)程的情況下，類(lèi)的加載為什么不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)加載的情況?
• 什么是雙親委派機(jī)制?它有啥優(yōu)勢(shì)?可以打破這種機(jī)制嗎?

類(lèi)加載子系統(tǒng)

類(lèi)加載機(jī)制概念

Java虛擬機(jī)把描述類(lèi)的數(shù)據(jù)從Class文件加載到內(nèi)存，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機(jī)直接使用的Java類(lèi)型，這就是虛擬機(jī)的加載機(jī)制。Class文件由類(lèi)裝載器裝載后，在JVM中將形成一份描述Class結(jié)構(gòu)的元信息對(duì)象，通過(guò)該元信息對(duì)象可以獲知Class的結(jié)構(gòu)信息：如構(gòu)造函數(shù)，屬性和方法等，Java允許用戶(hù)借由這個(gè)Class相關(guān)的元信息對(duì)象間接調(diào)用Class對(duì)象的功能,這里就是我們經(jīng)常能見(jiàn)到的Class類(lèi)。

類(lèi)加載子系統(tǒng)作用

• 類(lèi)加載子系統(tǒng)負(fù)責(zé)從文件系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)中加載class文件，class文件在文件開(kāi)頭有特定的文件標(biāo)識(shí)(0xCAFEBABE)
• ClassLoader只負(fù)責(zé)class文件的加載。至于它是否可以運(yùn)行，則由Execution Engine決定
• 加載的類(lèi)信息存放于一塊稱(chēng)為方法區(qū)的內(nèi)存空間。除了類(lèi)的信息外，方法區(qū)中還存放運(yùn)行時(shí)常量池信息，可能還包括字符串字面量和數(shù)字常量(這部分常量信息是class文件中常量池部分的內(nèi)存映射)
• Class對(duì)象是存放在堆區(qū)的

類(lèi)加載器ClassLoader角色

class file存在于本地硬盤(pán)上，可以理解為設(shè)計(jì)師畫(huà)在紙上的模板，而最終這個(gè)模板在執(zhí)行的時(shí)候是要加載到JVM當(dāng)中來(lái)根據(jù)這個(gè)文件實(shí)例化出n個(gè)一模一樣的實(shí)例

class file加載到JVM中，被稱(chēng)為DNA元數(shù)據(jù)模板，放在方法區(qū)

在.calss文件 -> JVM -> 最終成為元數(shù)據(jù)模板，此過(guò)程就要一個(gè)運(yùn)輸工具(類(lèi)裝載器)，扮演一個(gè)快遞員的角色

類(lèi)加載過(guò)程

類(lèi)從被加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中開(kāi)始，到卸載出內(nèi)存為止，它的整個(gè)生命周期包括：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化、使用和卸載七個(gè)階段。(驗(yàn)證、準(zhǔn)備和解析又統(tǒng)稱(chēng)為連接，為了支持Java語(yǔ)言的運(yùn)行時(shí)綁定，所以解析階段也可以是在初始化之后進(jìn)行的。以上順序都只是說(shuō)開(kāi)始的順序，實(shí)際過(guò)程中是交叉的混合式進(jìn)行的，加載過(guò)程中可能就已經(jīng)開(kāi)始驗(yàn)證了)

1. 加載(Loading)：

1. 通過(guò)一個(gè)類(lèi)的全限定名獲取定義此類(lèi)的二進(jìn)制字節(jié)流
2. 將這個(gè)字節(jié)流所代表的的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
3. 在內(nèi)存中生成一個(gè)代表這個(gè)類(lèi)的 java.lang.Class 對(duì)象，作為方法區(qū)這個(gè)類(lèi)的各種數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)入口

加載 .calss 文件的方式

• 從本地系統(tǒng)中直接加載
• 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取，典型場(chǎng)景：Web Applet
• 從zip壓縮文件中讀取，成為日后jar、war格式的基礎(chǔ)
• 運(yùn)行時(shí)計(jì)算生成，使用最多的是：動(dòng)態(tài)代理技術(shù)
• 由其他文件生成，比如 JSP 應(yīng)用
• 從專(zhuān)有數(shù)據(jù)庫(kù)提取.class 文件，比較少見(jiàn)
• 從加密文件中獲取，典型的防 Class 文件被反編譯的保護(hù)措施

2. 連接(Linking)

驗(yàn)證(Verify)

• 目的在于確保Class文件的字節(jié)流中包含信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)要求，保證被加載類(lèi)的正確性，不會(huì)危害虛擬機(jī)自身安全
• 主要包括四種驗(yàn)證，文件格式驗(yàn)證，元數(shù)據(jù)驗(yàn)證，字節(jié)碼驗(yàn)證，符號(hào)引用驗(yàn)證

準(zhǔn)備(Prepare)

• 為類(lèi)變量分配內(nèi)存并且設(shè)置該類(lèi)變量的默認(rèn)初始值，即零值數(shù)據(jù)類(lèi)型零值int0long0Lshort(short)0char'\\u0000'byte(byte)0booleanfalsefloat0.0fdouble0.0dreferencenull
• 這里不包含用final修飾的static，因?yàn)閒inal在編譯的時(shí)候就會(huì)分配了，準(zhǔn)備階段會(huì)顯示初始化
• 這里不會(huì)為實(shí)例變量分配初始化，類(lèi)變量會(huì)分配在方法區(qū)中，而實(shí)例變量是會(huì)隨著對(duì)象一起分配到Java堆中private static int i = 1; //變量i在準(zhǔn)備階只會(huì)被賦值為0，初始化時(shí)才會(huì)被賦值為1 private final static int j = 2; //這里被final修飾的變量j，直接成為常量，編譯時(shí)就會(huì)被分配為2

解析(Resolve)

• 將常量池內(nèi)的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用的過(guò)程
• 事實(shí)上，解析操作往往會(huì)伴隨著JVM在執(zhí)行完初始化之后再執(zhí)行
• 符號(hào)引用就是一組符號(hào)來(lái)描述所引用的目標(biāo)。符號(hào)引用的字面量形式明確定義在《Java虛擬機(jī)規(guī)范》的Class文件格式中。直接引用就是直接指向目標(biāo)的指針、相對(duì)偏移量或一個(gè)間接定位到目標(biāo)的句柄
• 解析動(dòng)作主要針對(duì)類(lèi)或接口、字段、類(lèi)方法、接口方法、方法類(lèi)型等。對(duì)應(yīng)常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等

3. 初始化(Initialization)

• 初始化階段就是執(zhí)行類(lèi)構(gòu)造器方法()的過(guò)程
• 此方法不需要定義，是javac編譯器自動(dòng)收集類(lèi)中的所有類(lèi)變量的賦值動(dòng)作和靜態(tài)代碼塊中的語(yǔ)句合并而來(lái)
• 構(gòu)造器方法中指令按語(yǔ)句在源文件中出現(xiàn)的順序執(zhí)行
• ()不同于類(lèi)的構(gòu)造器(構(gòu)造器是虛擬機(jī)視角下的())
• 若該類(lèi)具有父類(lèi)，JVM會(huì)保證子類(lèi)的()執(zhí)行前，父類(lèi)的()已經(jīng)執(zhí)行完畢
• 虛擬機(jī)必須保證一個(gè)類(lèi)的()方法在多線(xiàn)程下被同步加鎖

public class ClassInitTest{ 
  private static int num1 = 30; 
  static{ 
    num1 = 10; 
    num2 = 10;     //num2寫(xiě)在定義變量之前，為什么不會(huì)報(bào)錯(cuò)呢？？ 
    System.out.println(num2);   //這裡直接打印可以嗎？報(bào)錯(cuò)，非法的前向引用，可以賦值，但不可調(diào)用 
  } 
  private static int num2 = 20;  //num2在準(zhǔn)備階段就被設(shè)置了默認(rèn)初始值0，初始化階段又將10改為20 
  public static void main(String[] args){ 
    System.out.println(num1);  //10 
    System.out.println(num2);   //20 
  } 
} 

類(lèi)的主動(dòng)使用和被動(dòng)使用

Java程序?qū)︻?lèi)的使用方式分為：主動(dòng)使用和被動(dòng)使用。虛擬機(jī)規(guī)范規(guī)定有且只有5種情況必須立即對(duì)類(lèi)進(jìn)行“初始化”，即類(lèi)的主動(dòng)使用。

• 創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例、訪(fǎng)問(wèn)某個(gè)類(lèi)或接口的靜態(tài)變量，或者對(duì)該靜態(tài)變量賦值、調(diào)用類(lèi)的靜態(tài)方法(即遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic這四條字節(jié)碼指令時(shí))
• 反射
• 初始化一個(gè)類(lèi)的子類(lèi)
• Java虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)被標(biāo)明為啟動(dòng)類(lèi)的類(lèi)
• JDK7 開(kāi)始提供的動(dòng)態(tài)語(yǔ)言支持：java.lang.invoke.MethodHandle實(shí)例的解析結(jié)果，REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic句柄對(duì)應(yīng)的類(lèi)沒(méi)有初始化，則初始化

除以上五種情況，其他使用Java類(lèi)的方式被看作是對(duì)類(lèi)的被動(dòng)使用，都不會(huì)導(dǎo)致類(lèi)的初始化。

eg:

public class NotInitialization { 
    public static void main(String[] args) { 
        //只輸出SupperClass int 123,不會(huì)輸出SubClass init 
        //對(duì)于靜態(tài)字段，只有直接定義這個(gè)字段的類(lèi)才會(huì)被初始化 
        System.out.println(SubClass.value); 
    } 
} 
class SuperClass { 
    static { 
        System.out.println("SupperClass init"); 
    } 
    public static int value = 123; 
} 
class SubClass extends SuperClass { 
    static { 
        System.out.println("SubClass init"); 
    } 
} 

類(lèi)加載器

• JVM支持兩種類(lèi)型的類(lèi)加載器，分別為引導(dǎo)類(lèi)加載器(Bootstrap ClassLoader)和自定義類(lèi)加載器(User-Defined ClassLoader)
• 從概念上來(lái)講，自定義類(lèi)加載器一般指的是程序中由開(kāi)發(fā)人員自定義的一類(lèi)類(lèi)加載器，但是Java虛擬機(jī)規(guī)范卻沒(méi)有這么定義，而是將所有派生于抽象類(lèi)ClassLoader的類(lèi)加載器都劃分為自定義類(lèi)加載器

啟動(dòng)類(lèi)加載器(引導(dǎo)類(lèi)加載器，Bootstrap ClassLoader)

• 這個(gè)類(lèi)加載使用C/C++ 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，嵌套在JVM 內(nèi)部
• 它用來(lái)加載Java的核心庫(kù)(JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resource.jar或sun.boot.class.path路徑下的內(nèi)容)，用于提供JVM自身需要的類(lèi)
• 并不繼承自 java.lang.ClassLoader，沒(méi)有父加載器
• 加載擴(kuò)展類(lèi)和應(yīng)用程序類(lèi)加載器，并指定為他們的父類(lèi)加載器
• 出于安全考慮，Boostrap 啟動(dòng)類(lèi)加載器只加載名為java、Javax、sun等開(kāi)頭的類(lèi)

擴(kuò)展類(lèi)加載器(Extension ClassLoader)

• java語(yǔ)言編寫(xiě)，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實(shí)現(xiàn)
• 派生于 ClassLoader
• 父類(lèi)加載器為啟動(dòng)類(lèi)加載器
• 從java.ext.dirs系統(tǒng)屬性所指定的目錄中加載類(lèi)庫(kù)，或從JDK的安裝目錄的jre/lib/ext 子目錄(擴(kuò)展目錄)下加載類(lèi)庫(kù)。如果用戶(hù)創(chuàng)建的JAR 放在此目錄下，也會(huì)自動(dòng)由擴(kuò)展類(lèi)加載器加載

應(yīng)用程序類(lèi)加載器(也叫系統(tǒng)類(lèi)加載器，AppClassLoader)

• java語(yǔ)言編寫(xiě)，由 sun.misc.Lanucher$AppClassLoader 實(shí)現(xiàn)
• 派生于 ClassLoader
• 父類(lèi)加載器為擴(kuò)展類(lèi)加載器
• 它負(fù)責(zé)加載環(huán)境變量classpath或系統(tǒng)屬性java.class.path 指定路徑下的類(lèi)庫(kù)
• 該類(lèi)加載是程序中默認(rèn)的類(lèi)加載器，一般來(lái)說(shuō)，Java應(yīng)用的類(lèi)都是由它來(lái)完成加載的
• 通過(guò) ClassLoader#getSystemClassLoader() 方法可以獲取到該類(lèi)加載器

public class ClassLoaderTest { 
    public static void main(String[] args) { 
        //獲取系統(tǒng)類(lèi)加載器 
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader(); 
        System.out.println(systemClassLoader);  //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@135fbaa4 
        //獲取其上層：擴(kuò)展類(lèi)加載器 
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent(); 
        System.out.println(extClassLoader);  //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@2503dbd3 
        //再獲取其上層：獲取不到引導(dǎo)類(lèi)加載器 
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent(); 
        System.out.println(bootstrapClassLoader);     //null 
        //對(duì)于用戶(hù)自定義類(lèi)來(lái)說(shuō)，默認(rèn)使用系統(tǒng)類(lèi)加載器進(jìn)行加載，輸出和systemClassLoader一樣 
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader(); 
        System.out.println(classLoader);  //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@135fbaa4 
        //String 類(lèi)使用引導(dǎo)類(lèi)加載器進(jìn)行加載。Java的核心類(lèi)庫(kù)都使用引導(dǎo)類(lèi)加載器進(jìn)行加載，所以也獲取不到 
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader(); 
        System.out.println(classLoader1);  //null 
        //獲取BootstrapClassLoader可以加載的api的路徑 
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs(); 
        for (URL url : urls) { 
            System.out.println(url.toExternalForm()); 
        } 
    } 
} 

用戶(hù)自定義類(lèi)加載器

在Java的日常應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)中，類(lèi)的加載幾乎是由3種類(lèi)加載器相互配合執(zhí)行的，在必要時(shí)，我們還可以自定義類(lèi)加載器，來(lái)定制類(lèi)的加載方式

為什么要自定義類(lèi)加載器?

• 隔離加載類(lèi)
• 修改類(lèi)加載的方式
• 擴(kuò)展加載源(可以從數(shù)據(jù)庫(kù)、云端等指定來(lái)源加載類(lèi))
• 防止源碼泄露(Java代碼容易被反編譯，如果加密后，自定義加載器加載類(lèi)的時(shí)候就可以先解密，再加載)

用戶(hù)自定義加載器實(shí)現(xiàn)步驟

1. 開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)繼承抽象類(lèi) java.lang.ClassLoader 類(lèi)的方式，實(shí)現(xiàn)自己的類(lèi)加載器，以滿(mǎn)足一些特殊的需求
2. 在JDK1.2之前，在自定義類(lèi)加載器時(shí)，總會(huì)去繼承ClassLoader類(lèi)并重寫(xiě)loadClass()方法，從而實(shí)現(xiàn)自定義的類(lèi)加載類(lèi)，但是JDK1.2之后已經(jīng)不建議用戶(hù)去覆蓋loadClass()方式，而是建議把自定義的類(lèi)加載邏輯寫(xiě)在findClass()方法中
3. 編寫(xiě)自定義類(lèi)加載器時(shí)，如果沒(méi)有太過(guò)于復(fù)雜的需求，可以直接繼承URLClassLoader類(lèi)，這樣就可以避免自己去編寫(xiě)findClass()方法及其獲取字節(jié)碼流的方式，使自定義類(lèi)加載器編寫(xiě)更加簡(jiǎn)潔

ClassLoader常用方法

ClassLoader類(lèi)，是一個(gè)抽象類(lèi)，其后所有的類(lèi)加載器都繼承自ClassLoader(不包括啟動(dòng)類(lèi)加載器)

方法描述getParent()返回該類(lèi)加載器的超類(lèi)加載器loadClass(String name)加載名稱(chēng)為name的類(lèi)，返回java.lang.Class類(lèi)的實(shí)例findClass(String name)查找名稱(chēng)為name的類(lèi)，返回java.lang.Class類(lèi)的實(shí)例findLoadedClass(String name)查找名稱(chēng)為name的已經(jīng)被加載過(guò)的類(lèi)，返回java.lang.Class類(lèi)的實(shí)例defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)把字節(jié)數(shù)組b中內(nèi)容轉(zhuǎn)換為一個(gè)Java類(lèi)，返回java.lang.Class類(lèi)的實(shí)例resolveClass(Class c)連接指定的一個(gè)Java類(lèi)

對(duì)類(lèi)加載器的引用

JVM必須知道一個(gè)類(lèi)型是由啟動(dòng)加載器加載的還是由用戶(hù)類(lèi)加載器加載的。如果一個(gè)類(lèi)型是由用戶(hù)類(lèi)加載器加載的，那么JVM會(huì)將這個(gè)類(lèi)加載器的一個(gè)引用作為類(lèi)型信息的一部分保存在方法區(qū)中。當(dāng)解析一個(gè)類(lèi)型到另一個(gè)類(lèi)型的引用的時(shí)候，JVM需要保證這兩個(gè)類(lèi)型的類(lèi)加載器是相同的。

雙親委派機(jī)制

Java虛擬機(jī)對(duì)class文件采用的是按需加載的方式，也就是說(shuō)當(dāng)需要使用該類(lèi)的時(shí)候才會(huì)將它的class文件加載到內(nèi)存生成class對(duì)象。而且加載某個(gè)類(lèi)的class文件時(shí)，Java虛擬機(jī)采用的是雙親委派模式，即把請(qǐng)求交給父類(lèi)處理，它是一種任務(wù)委派模式。

工作過(guò)程

• 如果一個(gè)類(lèi)加載器收到了類(lèi)加載請(qǐng)求，它并不會(huì)自己先去加載，而是把這個(gè)請(qǐng)求委托給父類(lèi)的加載器去執(zhí)行;
• 如果父類(lèi)加載器還存在其父類(lèi)加載器，則進(jìn)一步向上委托，依次遞歸，請(qǐng)求最終將到達(dá)頂層的啟動(dòng)類(lèi)加載器;
• 如果父類(lèi)加載器可以完成類(lèi)加載任務(wù)，就成功返回，倘若父類(lèi)加載器無(wú)法完成此加載任務(wù)，子加載器才會(huì)嘗試自己去加載，這就是雙親委派模式

優(yōu)勢(shì)

• 避免類(lèi)的重復(fù)加載，JVM中區(qū)分不同類(lèi)，不僅僅是根據(jù)類(lèi)名，相同的class文件被不同的ClassLoader加載就屬于兩個(gè)不同的類(lèi)(比如，Java中的Object類(lèi)，無(wú)論哪一個(gè)類(lèi)加載器要加載這個(gè)類(lèi)，最終都是委派給處于模型最頂端的啟動(dòng)類(lèi)加載器進(jìn)行加載，如果不采用雙親委派模型，由各個(gè)類(lèi)加載器自己去加載的話(huà)，系統(tǒng)中會(huì)存在多種不同的Object類(lèi))
• 保護(hù)程序安全，防止核心API被隨意篡改，避免用戶(hù)自己編寫(xiě)的類(lèi)動(dòng)態(tài)替換 Java的一些核心類(lèi)，比如我們自定義類(lèi)：java.lang.String

在JVM中表示兩個(gè)class對(duì)象是否為同一個(gè)類(lèi)存在兩個(gè)必要條件：

• 類(lèi)的完成類(lèi)名必須一致，包括包名
• 加載這個(gè)類(lèi)的ClassLoader(指ClassLoader實(shí)例對(duì)象)必須相同

沙箱安全機(jī)制

如果我們自定義String類(lèi)，但是在加載自定義String類(lèi)的時(shí)候會(huì)率先使用引導(dǎo)類(lèi)加載器加載，而引導(dǎo)類(lèi)加載器在加載的過(guò)程中會(huì)先加載jdk自帶的文件(rt.jar包中java\lang\String.class)，報(bào)錯(cuò)信息說(shuō)沒(méi)有main方法就是因?yàn)榧虞d的是rt.jar包中的String類(lèi)。這樣就可以保證對(duì)java核心源代碼的保護(hù)，這就是簡(jiǎn)單的沙箱安全機(jī)制。

破壞雙親委派模型

• 雙親委派模型并不是一個(gè)強(qiáng)制性的約束模型，而是Java設(shè)計(jì)者推薦給開(kāi)發(fā)者的類(lèi)加載器實(shí)現(xiàn)方式，可以“被破壞”，只要我們自定義類(lèi)加載器，重寫(xiě)loadClass()方法，指定新的加載邏輯就破壞了，重寫(xiě)findClass()方法不會(huì)破壞雙親委派。
• 雙親委派模型有一個(gè)問(wèn)題：頂層ClassLoader，無(wú)法加載底層ClassLoader的類(lèi)。典型例子JNDI、JDBC，所以加入了線(xiàn)程上下文類(lèi)加載器(Thread Context ClassLoader),可以通過(guò)Thread.setContextClassLoaser()設(shè)置該類(lèi)加載器，然后頂層ClassLoader再使用Thread.getContextClassLoader()獲得底層的ClassLoader進(jìn)行加載。
• Tomcat中使用了自定ClassLoader，并且也破壞了雙親委托機(jī)制。每個(gè)應(yīng)用使用WebAppClassloader進(jìn)行單獨(dú)加載，他首先使用WebAppClassloader進(jìn)行類(lèi)加載，如果加載不了再委托父加載器去加載，這樣可以保證每個(gè)應(yīng)用中的類(lèi)不沖突。每個(gè)tomcat中可以部署多個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目中存在很多相同的class文件(很多相同的jar包)，他們加載到j(luò)vm中可以做到互不干擾。
• 利用破壞雙親委派來(lái)實(shí)現(xiàn)代碼熱替換(每次修改類(lèi)文件，不需要重啟服務(wù))。因?yàn)橐粋€(gè)Class只能被一個(gè)ClassLoader加載一次，否則會(huì)報(bào)java.lang.LinkageError。當(dāng)我們想要實(shí)現(xiàn)代碼熱部署時(shí)，可以每次都new一個(gè)自定義的ClassLoader來(lái)加載新的Class文件。JSP的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)修改就是使用此特性實(shí)現(xiàn)。