Java類加載機(jī)制及類加載器詳解
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一、類加載機(jī)制
1.什么是類加載?
熟悉java開(kāi)發(fā)的同學(xué)都知道,我們?nèi)粘Ｋ鶎懙拇a都被保存到.java文件中。這些".java"文件經(jīng)過(guò)Java編譯器編譯成拓展名為".class"的文件，".class"文件中保存著Java代碼經(jīng)轉(zhuǎn)換后的虛擬機(jī)指令，當(dāng)需要使用某個(gè)類時(shí)，虛擬機(jī)將會(huì)加載它的".class"文件，并創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的class對(duì)象，將class文件加載到虛擬機(jī)的內(nèi)存，這個(gè)過(guò)程稱為類加載
2.類加載的過(guò)程
加載，驗(yàn)證，準(zhǔn)備，解析，初始化，使用和卸載。其中驗(yàn)證，準(zhǔn)備，解析3個(gè)部分統(tǒng)稱為連接。
這7個(gè)階段發(fā)生順序如下圖：
其中加載，驗(yàn)證，準(zhǔn)備，解析及初始化是屬于類加載機(jī)制中的步驟。注意此處的加載不等同于類加載,大家兩張圖對(duì)比看著理解。
3.觸發(fā)類加載的條件
①.遇到new,getstatic,putstatic或invokestatic這4條字節(jié)碼指令時(shí)，如果類沒(méi)有進(jìn)行過(guò)初始化，則需要先觸發(fā)初始化。生成這4條指令的最常見(jiàn)的Java代碼場(chǎng)景是：使用new關(guān)鍵字實(shí)例化對(duì)象的時(shí)候，讀取或設(shè)置一個(gè)類的靜態(tài)字段的時(shí)候(被final修飾，已在編譯期把結(jié)果放入常量池的靜態(tài)字段除外)，以及調(diào)用一個(gè)類的靜態(tài)方法的時(shí)候。
②.使用java.lang.reflect包的方法對(duì)類進(jìn)行反射調(diào)用的時(shí)候。
③.當(dāng)初始化一個(gè)類的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)其父類還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)初始化，則需要先出發(fā)父類的初始化。
④.當(dāng)虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，用戶需要指定一個(gè)要執(zhí)行的主類(包含main()方法的那個(gè)類)，虛擬機(jī)會(huì)先初始化這個(gè)主類。
⑤.當(dāng)使用JDK1.7的動(dòng)態(tài)語(yǔ)言支持時(shí)，如果一個(gè)java.lang.invoke.MethodHandle實(shí)例最后的解析結(jié)果REF_getStatic,REF_putStatic,REF_invokeStatic的方法句柄，并且這個(gè)方法句柄所對(duì)應(yīng)的類沒(méi)有進(jìn)行初始化，則需要先出發(fā)初始化。
4.類加載的具體過(guò)程
加載:
①.通過(guò)一個(gè)類的全限定名來(lái)獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流
②.將這個(gè)字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為方法區(qū)內(nèi)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)類的java.lang.Class對(duì)象，作為方法區(qū)這個(gè)類的各種數(shù)據(jù)的訪問(wèn)入口。驗(yàn)證：
是連接階段的第一步，目的是為了確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并且不會(huì)危害虛擬機(jī)自身的安全。
包含四個(gè)階段的校驗(yàn)動(dòng)作
a.文件格式驗(yàn)證 驗(yàn)證字節(jié)流是否符合Class文件格式的規(guī)范，并且能被當(dāng)前版本的虛擬機(jī)處理。b.元數(shù)據(jù)驗(yàn)證 對(duì)類的元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行語(yǔ)義校驗(yàn)，是否不存在不符合Java語(yǔ)言規(guī)范的元數(shù)據(jù)信息 c.字節(jié)碼驗(yàn)證 最復(fù)雜的一個(gè)階段，主要目的是通過(guò)數(shù)據(jù)流和控制流分析，確定程序語(yǔ)義是合法的，符合邏輯的。對(duì)類的方法體進(jìn)行校驗(yàn)分析，保證被校驗(yàn)類的方法在運(yùn)行時(shí)不會(huì)做出危害虛擬機(jī)安全的事件。d.符號(hào)引用驗(yàn)證 最后一個(gè)階段的校驗(yàn)發(fā)生在虛擬機(jī)將符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用的時(shí)候，這個(gè)轉(zhuǎn)換動(dòng)作將在連接的第三個(gè)階段——解析階段中發(fā)生。符號(hào)驗(yàn)證的目的是確保解析動(dòng)作能正常進(jìn)行。
準(zhǔn)備：準(zhǔn)備階段是正式為類變量分配內(nèi)存并設(shè)置類變量初始值的階段。這些變量所使用的內(nèi)存都將在方法區(qū)中分配。只包括類變量。初始值“通常情況”下是數(shù)據(jù)類型的零值。
“特殊情況”下，如果類字段的字段屬性表中存在ConstantValue屬性，那么在準(zhǔn)備階段變量的值就會(huì)被初始化為ConstantValue屬性所指定的值。
解析：虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號(hào)引用替換為直接引用的過(guò)程。
“動(dòng)態(tài)解析”的含義就是必須等到程序?qū)嶋H運(yùn)行到這條指令的時(shí)候，解析動(dòng)作才能進(jìn)行。相對(duì)的，其余可觸發(fā)解析的指令都是“靜態(tài)”的，可以在剛剛完成加載階段，還沒(méi)有開(kāi)始執(zhí)行代碼時(shí)就進(jìn)行解析。
初始化：
類加載過(guò)程中的最后一步。
初始化階段是執(zhí)行類構(gòu)造器()方法的過(guò)程。
()方法是由編譯器自動(dòng)收集類中的所有類變量的賦值動(dòng)作和靜態(tài)語(yǔ)句塊中的語(yǔ)句合并產(chǎn)生的。
()與類的構(gòu)造函數(shù)不同，它不需要顯示地調(diào)用父類構(gòu)造器，虛擬機(jī)會(huì)保證在子類的()方法執(zhí)行之前，父類的()方法已經(jīng)執(zhí)行完畢。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，初始化就是對(duì)類變量進(jìn)行賦值及執(zhí)行靜態(tài)代碼塊。
二、類加載器
通過(guò)上述的了解，我們已經(jīng)知道了類加載機(jī)制的大概流程及各個(gè)部分的功能。其中加載部分的功能是將類的class文件讀入內(nèi)存，并為之創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class對(duì)象。這部分功能就是由類加載器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
1.類加載器分類：
不同的類加載器負(fù)責(zé)加載不同的類。主要分為兩類。
啟動(dòng)類加載器(Bootstrap ClassLoader)：由C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)(針對(duì)HotSpot),負(fù)責(zé)將存放在
擴(kuò)展類加載器(Extension ClassLoader)：負(fù)責(zé)加載
應(yīng)用程序類加載器(Application ClassLoader)：負(fù)責(zé)加載用戶類路徑(classpath)上的指定類庫(kù)，我們可以直接使用這個(gè)類加載器，通過(guò)ClassLoader.getSystemClassLoader()方法直接獲取。一般情況，如果我們沒(méi)有自定義類加載器默認(rèn)就是用這個(gè)加載器。
其他類加載器：由Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，繼承自抽象類ClassLoader。
下面我們來(lái)具體了解上述幾個(gè)類加載器實(shí)現(xiàn)類加載過(guò)程時(shí)相互配合協(xié)作的流程。
2.雙親委派模型
雙親委派模型的工作流程是：如果一個(gè)類加載器收到了類加載的請(qǐng)求，它首先不會(huì)自己去嘗試加載這個(gè)類，而是把請(qǐng)求委托給父加載器去完成，依次向上，因此，所有的類加載請(qǐng)求最終都應(yīng)該被傳遞到頂層的啟動(dòng)類加載器中，只有當(dāng)父加載器在它的搜索范圍中沒(méi)有找到所需的類時(shí)，即無(wú)法完成該加載，子加載器才會(huì)嘗試自己去加載該類。
這樣的好處是不同層次的類加載器具有不同優(yōu)先級(jí)，比如所有Java對(duì)象的超級(jí)父類java.lang.Object，位于rt.jar，無(wú)論哪個(gè)類加載器加載該類，最終都是由啟動(dòng)類加載器進(jìn)行加載，保證安全。即使用戶自己編寫一個(gè)java.lang.Object類并放入程序中，雖能正常編譯，但不會(huì)被加載運(yùn)行，保證不會(huì)出現(xiàn)混亂。
3.雙親委派模型的代碼實(shí)現(xiàn)
ClassLoader中l(wèi)oadClass方法實(shí)現(xiàn)了雙親委派模型
- protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
- throws ClassNotFoundException
- {
- synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
- //檢查該類是否已經(jīng)加載過(guò)
- Class c = findLoadedClass(name);
- if (c == null) {
- //如果該類沒(méi)有加載，則進(jìn)入該分支
- long t0 = System.nanoTime();
- try {
- if (parent != null) {
- //當(dāng)父類的加載器不為空，則通過(guò)父類的loadClass來(lái)加載該類
- c = parent.loadClass(name, false);
- } else {
- //當(dāng)父類的加載器為空，則調(diào)用啟動(dòng)類加載器來(lái)加載該類
- c = findBootstrapClassOrNull(name);
- }
- } catch (ClassNotFoundException e) {
- //非空父類的類加載器無(wú)法找到相應(yīng)的類，則拋出異常
- }
- if (c == null) {
- //當(dāng)父類加載器無(wú)法加載時(shí)，則調(diào)用findClass方法來(lái)加載該類
- long t1 = System.nanoTime();
- c = findClass(name); //用戶可通過(guò)覆寫該方法，來(lái)自定義類加載器
- //用于統(tǒng)計(jì)類加載器相關(guān)的信息
- sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
- sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
- sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
- }
- }
- if (resolve) {
- //對(duì)類進(jìn)行l(wèi)ink操作
- resolveClass(c);
- }
- return c;
- }
- }
整個(gè)流程大致如下：
a.首先，檢查一下指定名稱的類是否已經(jīng)加載過(guò)，如果加載過(guò)了，就不需要再加載，直接返回。
b.如果此類沒(méi)有加載過(guò)，那么，再判斷一下是否有父加載器;如果有父加載器，則由父加載器加載(即調(diào)用parent.loadClass(name, false);).或者是調(diào)用bootstrap類加載器來(lái)加載。
c.如果父加載器及bootstrap類加載器都沒(méi)有找到指定的類，那么調(diào)用當(dāng)前類加載器的findClass方法來(lái)完成類加載。
