JVM類加載機制分析
作者：Reathin
Java虛擬機將編譯后的.class文件加載到內存中，進行校驗、轉換、解析和初始化，到最終的使用，這就是類的加載機制。
一、類加載機制
什么是類加載機制？
Java虛擬機將編譯后的.class文件加載到內存中，進行校驗、轉換、解析和初始化，到最終的使用，這就是類的加載機制。類的加載時機并未有明確的規(guī)定，但是類明確了類的初始化時機。
二、類加載機制的過程
類的加載機制大致分為五個過程：加載、驗證、準備、解析、初始化。
1.加載
通過ClassLoader加載一個Class對象到內存中。具體過程：
- 通過全限定名獲取此類的二進制字節(jié)流(.class文件)，至于二進制字節(jié)流在哪里獲取并沒有限制，可以從jar、apk、zip、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡、自己運行生成都可以。
- 在內存中生成一個代表此類的java.lang.Class對象，并作為方法區(qū)這個類的訪問入口。這個Class對象并沒有規(guī)定放在Java堆中，有些虛擬機將它放在方法區(qū)中。
2.驗證
驗證加載后的類是否符合.Class文件結構，類數(shù)據(jù)是否符合虛擬機的要求，確保不會危害虛擬機的安全。具體過程如下：
- 文件格式驗證：驗證二機制字節(jié)流是否符合.class的文件格式，并且驗證該.class文件是否在虛擬機的處理范圍內，文件格式驗證合格后才將二進制的數(shù)據(jù)存放在內存的方法區(qū)中。
- 元數(shù)據(jù)驗證：主要是對該類的元數(shù)據(jù)信息進行語義檢查，保證不存在不符合 Java 語義規(guī)范的元數(shù)據(jù)信息。
- 字節(jié)碼驗證：主要對類的方法體進行驗證，確保類的方法不會做出危害虛擬機的行為
- 符號引用驗證：對類本身飲用其他類型的驗證，包括對全限定名是否能找到對應的類，是否能找到對應的類的方法和字段，訪問性是否合適。
3.準備
- 對于類變量(static修飾)為其分配內存，并賦值初始值(如0，false)。
- 對于常量(final修飾)為其賦值設置的數(shù)值。
4.解析
將類符號引用轉換成直接引用。
5.初始化
給類變量(static)賦值，并執(zhí)行static{}方法。這里的觸發(fā)執(zhí)行的方法是類構造器中。
- 類構造器是編譯器自己生成的，它會按類的順序的收集類變量和靜態(tài)代碼塊，如果一個類中沒有類變量也沒有靜態(tài)代碼塊將沒有類構造器。它和實例構造器是不同。
- 父類的構造器將優(yōu)先于子類的構造器執(zhí)行。子接口的構造器不需要調用父類的類構造器。
- 靜態(tài)代碼塊可以訪問出現(xiàn)在它前面的靜態(tài)變量，但不能訪問后面的靜態(tài)變量，只可以賦值。
類初始化的時機：
- new一個對象的時候；獲取和設置static的變量和方法的時候；
- 使用 java.lang.reflect 包對方法進行反射調用的時候。
- 當一個類的父類沒被初始化時，會優(yōu)先初始化父類。
- 當虛擬機啟動時，需要指定一個要執(zhí)行的主類時候。
- 當使用 JDK 1.7 的動態(tài)語言支持時，如果一個 java.lang.invoke.MethodHandle 實例最后的解析結果 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invodeStatic 的方法句柄，并且這個方法句柄所對應的類沒有進行過初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。
三、類加載器ClassLoader
這里的ClassLoader是安卓的類加載器，不是Java的加載器，這是有區(qū)分的，比如Java的類加載器加載的是jar里面的.class文件的集合，而安卓則是將.class文件的集合全部寫入到一個dex文件中，刪除一些重復的代碼，以此來提高性能。
1.ClassLoader的類型
Android的類加載器類型也可以分為兩種：
- 系統(tǒng)類加載器
- 自定義類加載器
無論哪種加載器，它們都要繼承ClassLoader這個抽象父類。其中系統(tǒng)類加載器主要有：BootClassLoader、PathClassLoader、DexClassLoader
(1) BootClassLoader
class BootClassLoader extends ClassLoader {
private static BootClassLoader instance;
@FindBugsSuppressWarnings("DP_CREATE_CLASSLOADER_INSIDE_DO_PRIVILEGED")
public static synchronized BootClassLoader getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new BootClassLoader();
}
return instance;
}
...
} BootClassLoader繼承于ClassLoader，它是一個沒有父加載器的加載器，它在Zygote進程啟動的時候，BootClassLoader加載器將會被創(chuàng)建，用它加載一些預加載類，方便以后fork進程時復用資源。同時它也是ClassLoader的內部類。
(2) PathClassLoader
public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {
/**
* @param dexPath : Dex相關文件的路徑
* @param parent ： 父加載器
*/
public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, null, null, parent);
}
/**
* @param dexPath: Dex相關文件的路徑
* @param librarySearchPath：包含C/C++庫的路徑集合
* @param parent ： 父加載器
*/
public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
}
...
}PathClassLoader繼承BseDexClassLoader，同時BaseDexClassLoader繼承ClassLoader。 PathClassLoader的創(chuàng)建在system_server進程中，PathClassLoader類加載器通常加載已經安裝的apk的dex文件。 PathClassLoader類加載器默認的解壓的dex文件的存儲路徑是:/data/dalvik_cache路徑中。 如下是創(chuàng)建的時機：
public class ZygoteInit {
// 創(chuàng)建完system_server進程后，會執(zhí)行此方法
private static Runnable handleSystemServerProcess(ZygoteArguments parsedArgs) {
if (systemServerClasspath != null) {
//...
} else {
ClassLoader cl = null;
// 創(chuàng)建PathClassLoader加載器
if (systemServerClasspath != null) {
cl = createPathClassLoader(systemServerClasspath, parsedArgs.mTargetSdkVersion);
}
}
}
static ClassLoader createPathClassLoader(String classPath, int targetSdkVersion) {
String libraryPath = System.getProperty("java.library.path");
// 父加載器是BootClassLoader
ClassLoader parent = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
// 創(chuàng)建工廠模式創(chuàng)建PathClassLoader
return ClassLoaderFactory.createClassLoader(classPath, libraryPath, libraryPath,
parent, targetSdkVersion, true /* isNamespaceShared */, null /* classLoaderName */);
}
}
public abstract class ClassLoader {
public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
return SystemClassLoader.loader;
}
static private class SystemClassLoader {
public static ClassLoader loader = ClassLoader.createSystemClassLoader();
}
private static ClassLoader createSystemClassLoader() {
String classPath = System.getProperty("java.class.path", ".");
String librarySearchPath = System.getProperty("java.library.path", "");
// 父加載器是BootClassLoader
return new PathClassLoader(classPath, librarySearchPath, BootClassLoader.getInstance());
}
}可見PathClassLoader的父加載器是BootClassLoader。
(3) DexClassLoader
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
/**
*
* @param dexPath : Dex相關文件的路徑
* @param optimizedDirectory: 解壓的dex的存儲路徑
* @param librarySearchPath：包含C/C++庫的路徑集合
* @param parent ： 父加載器
*/
public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
}
}DexClassLoader也是繼承BaseDexClassLoader，相比PathClassLoader則是可以定義解壓dex的存儲路徑。
除了BootClassLoader、PathClassLoader、DexClassLoader這三個類加載器外還有,InMemoryDexClassLoader:用于加載內存的dex;SecureClassLoader:權限檢查的ClassLoader;URLClassLoader:URL的ClassLoade。
2.ClassLoader的加載過程
Android中所有的類加載器都繼承于ClassLoader抽象類，這個類的loadClass()方法同樣實現(xiàn)了雙親委托機制。
(1) 雙親委托機制
public abstract class ClassLoader {
/**
* 雙親委托機制
*/
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException {
// 1. 先檢查class是否已經加載過
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
// 沒有加載過
try {
if (parent != null) {
// 先給父ClassLoader加載Class
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
// 調用BootClassLoader加載Class
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
}
if (c == null) {
// 父的ClassLoader都沒有加載class，則調用findClass()給此ClassLoader加載
c = findClass(name);
}
}
return c;
}
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
}ClassLoader的loadClass()方法定義了加載器加載類的過程：
- 如果class文件已經加載過，則從緩存中找。否則給遞歸給父加載器的loadClass()方法查找class文件
- 如果父加載器沒找到，則調用自己的findClass(name)方法開始找class文件。 這種設計避免了一些核心類的加載被用戶自定義復寫，導致功能不同。
那這個findClass()方法在ClassLoader中是一個空實現(xiàn)，它讓給你子類去實現(xiàn)這個查找的過程。那這里以BaseDexClassLoader為例，看findClass()是如何查找class文件的：
public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {
private final DexPathList pathList;
public BaseDexClassLoader(String dexPath,
String librarySearchPath, ClassLoader parent, ClassLoader[] sharedLibraryLoaders,
boolean isTrusted) {
super(parent);
this.sharedLibraryLoaders = sharedLibraryLoaders == null
? null
: Arrays.copyOf(sharedLibraryLoaders, sharedLibraryLoaders.length);
this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath, null, isTrusted);
reportClassLoaderChain();
}
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
// 調用DexPathList.findClass方法查找class
Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions);
if (c == null) {
ClassNotFoundException cnfe = new ClassNotFoundException(
"Didn't find class \"" + name + "\" on path: " + pathList);
for (Throwable t : suppressedExceptions) {
cnfe.addSuppressed(t);
}
throw cnfe;
}
return c;
}
}
調用DexPathList.findClass()方法去查找class文件:
public final class DexPathList {
private Element[] dexElements;
DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
String librarySearchPath, File optimizedDirectory, boolean isTrusted) {
this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
suppressedExceptions, definingContext, isTrusted);
}
public Class<?> findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
// 遍歷Element數(shù)組去查詢
for (Element element : dexElements) {
Class<?> clazz = element.findClass(name, definingContext, suppressed);
if (clazz != null) {
return clazz;
}
}
if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
}
return null;
}
}
/*package*/ static class Element {
@UnsupportedAppUsage
private final File path;
private final Boolean pathIsDirectory;
@UnsupportedAppUsage
private final DexFile dexFile;
private ClassPathURLStreamHandler urlHandler;
private boolean initialized;
@UnsupportedAppUsage
public Element(DexFile dexFile, File dexZipPath) {
if (dexFile == null && dexZipPath == null) {
throw new NullPointerException("Either dexFile or path must be non-null");
}
this.dexFile = dexFile;
this.path = dexZipPath;
this.pathIsDirectory = (path == null) ? null : path.isDirectory();
}
public Class<?> findClass(String name, ClassLoader definingContext,
List<Throwable> suppressed) {
// 調用DexFile.loadClassBinaryName()方法去查找
return dexFile != null ? dexFile.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed)
: null;
}
}
public final class DexFile {
public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader, List<Throwable> suppressed) {
return defineClass(name, loader, mCookie, this, suppressed);
}
private static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, Object cookie,
DexFile dexFile, List<Throwable> suppressed) {
Class result = null;
try {
result = defineClassNative(name, loader, cookie, dexFile);
}
...
return result;
}
private static native Class defineClassNative(String name, ClassLoader loader, Object cookie, DexFile dexFile)
}DexPathList有一個Element[]數(shù)組，每個Element有dex文件路徑，通過遍歷Element[]數(shù)組，調用Element. loadClassBinaryName()方法去查找是否對應的class文件，最后調用defineClassNative()native方法去查找。
責任編輯：趙寧寧
來源：
沐雨花飛蝶
