深入理解JVM(六)——类加载器原理
我们知道我们编写的java代码,会经过编译器编译成字节码文件(class文件),再把字节码文件装载到JVM中,映射到各个内存区域中,我们的程序就可以在内存中运行了。那么字节码文件是怎样装载到JVM中的呢?中间经过了哪些步骤?常说的双亲委派模式又是怎么回事?本文主要搞清楚这些问题。
类装载流程
1、加载
加载是类装载的第一步,首先通过class文件的路径读取到二进制流,并解析二进制流将里面的元数据(类型、常量等)载入到方法区,在java堆中生成对应的java.lang.Class对象。
2、连接
连接过程又分为3步,验证、准备、解析
2.1、验证
验证的主要目的就是判断class文件的合法性,比如class文件一定是以0xCAFEBABE开头的,另外对版本号也会做验证,例如如果使用java1.8编译后的class文件要再java1.6虚拟机上运行,因为版本问题就会验证不通过。除此之外还会对元数据、字节码进行验证,具体的验证过程就复杂的多了,可以专门查看相关资料去了解。
2.2、准备
准备过程就是分配内存,给类的一些字段设置初始值,例如:
public static int v=1;
这段代码在准备阶段v的值就会被初始化为0,只有到后面类初始化阶段时才会被设置为1。
但是对于static final(常量),在准备阶段就会被设置成指定的值,例如:
public static final int v=1;
这段代码在准备阶段v的值就是1。
2.3、解析
解析过程就是将符号引用替换为直接引用,例如某个类继承java.lang.object,原来的符号引用记录的是“java.lang.object”这个符号,凭借这个符号并不能找到java.lang.object这个对象在哪里?而直接引用就是要找到java.lang.object所在的内存地址,建立直接引用关系,这样就方便查询到具体对象。
3、初始化
初始化过程,主要包括执行类构造方法、static变量赋值语句,staic{}语句块,需要注意的是如果一个子类进行初始化,那么它会事先初始化其父类,保证父类在子类之前被初始化。所以其实在java中初始化一个类,那么必然是先初始化java.lang.Object,因为所有的java类都继承自java.lang.Object。
说完了类加载过程,我们来介绍一下这个过程当中的主角:类加载器。
类加载器
类加载器ClassLoader,它是一个抽象类,ClassLoader的具体实例负责把java字节码读取到JVM当中,ClassLoader还可以定制以满足不同字节码流的加载方式,比如从网络加载、从文件加载。ClassLoader的负责整个类装载流程中的“加载”阶段。
ClassLoader的重要方法:
1: public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException
.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }
载入并返回一个类。
1: protected final Class<?> defineClass(byte[] b, int off, int len)
.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }
定义一个类,该方法不公开被调用。
1: protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException
.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }
查找类,loadClass的回调方法
1: protected final Class<?> findLoadedClass(String name)
.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }
查找已经加载的类。
系统中的ClassLoader
BootStrap Classloader (启动ClassLoader)
Extension ClassLoader (扩展ClassLoader)
App ClassLoader(应用 ClassLoader)
Custom ClassLoader(自定义ClassLoader)
每个ClassLoader都有另外一个ClassLoader作为父ClassLoader,BootStrap Classloader除外,它没有父Classloader。
ClassLoader加载机制如下:
自下向上检查类是否被加载,一般情况下,首先从App ClassLoader中调用findLoadedClass方法查看是否已经加载,如果没有加载,则会交给父类,Extension ClassLoader去查看是否加载,还没加载,则再调用其父类,BootstrapClassLoader查看是否已经加载,如果仍然没有,自顶向下尝试加载类,那么从 Bootstrap ClassLoader到 App ClassLoader依次尝试加载。
值得注意的是即使两个类来源于相同的class文件,如果使用不同的类加载器加载,加载后的对象是完全不同的,这个不同反应在对象的 equals()、isAssignableFrom()、isInstance()等方法的返回结果,也包括了使用 instanceof 关键字对对象所属关系的判定结果。
从代码上可以看出,首先查看这个类是否被加载,如果没有则调用父类的loadClass方法,直到BootstrapClassLoader(没有父类),我们把这个过程叫做双亲模式,
双亲模式的问题
顶层ClassLoader,无法加载底层ClassLoader的类
Java框架(rt.jar)如何加载应用的类?
比如:javax.xml.parsers包中定义了xml解析的类接口
Service Provider Interface SPI 位于rt.jar
即接口在启动ClassLoader中。
而SPI的实现类,在AppLoader。
这样就无法用BootstrapClassLoader去加载SPI的实现类。
解决
JDK中提供了一个方法:
1: Thread. setContextClassLoader()
.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }
用以解决顶层ClassLoader无法访问底层ClassLoader的类的问题;
基本思想是,在顶层ClassLoader中,传入底层ClassLoader的实例。
双亲模式的破坏
双亲模式是默认的模式,但不是必须这么做;
Tomcat的WebappClassLoader 就会先加载自己的Class,找不到再委托parent;
OSGi的ClassLoader形成网状结构,根据需要自由加载Class。
小结
本文介绍了类加载的流程,以及ClassLoader工作机制,最后分析双亲模式的缺陷,以及如何弥补该缺陷,介绍了tomcat、OSGI如何自定义类加载流程。
参考资料:
《实战Java虚拟机》 葛一鸣
《深入理解Java虚拟机(第2版)》 周志明
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