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竟然還有人沒搞懂JVM類加載器？一文徹底明白

竟然還有人沒搞懂 JVM 類加載器？一文徹底明白

作者：Java高級(jí)架構(gòu)師阿谷 2019-10-28 10:19:27

云計(jì)算

虛擬化 在Java面試中，在考察完項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)、基礎(chǔ)技術(shù)后，我會(huì)根據(jù)候選人的特點(diǎn)進(jìn)行知識(shí)深度的考察，如果候選人簡歷上有寫JVM(Java虛擬機(jī))相關(guān)的東西，那么我常常會(huì)問一些JVM的問題。

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寫在前面

在Java面試中，在考察完項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)、基礎(chǔ)技術(shù)后，我會(huì)根據(jù)候選人的特點(diǎn)進(jìn)行知識(shí)深度的考察，如果候選人簡歷上有寫JVM(Java虛擬機(jī))相關(guān)的東西，那么我常常會(huì)問一些JVM的問題。JVM的類加載機(jī)制是一個(gè)很經(jīng)典的知識(shí)點(diǎn)，圍繞這個(gè)知識(shí)點(diǎn)可以有下面這些難度不同的問題。

  1. 簡單講下JVM中的類加載過程
  2. JVM中的類加載和卸載的時(shí)機(jī)?
  3. 如何理解JVM中不同類加載器的概念和作用?
  4. 簡單講下JVM中的雙親委派模型?
  5. 什么情況下會(huì)破壞雙親委派模型?為什么?可否舉個(gè)例子?
  6. Tomcat中的類加載機(jī)制有了解嗎?為什么這么設(shè)計(jì)?
  7. 實(shí)際開發(fā)中有遇到哪些類加載器相關(guān)的問題?你又是如何解決的?
  8. JVM之上的弱類型語言例如Groovy是如何實(shí)現(xiàn)?簡單講下動(dòng)態(tài)類加載機(jī)制?

在接下來的幾篇文章，我將跟讀者一起重新梳理一遍類加載器的相關(guān)知識(shí)，爭(zhēng)取能夠妥善解答上面列出的這些問題。

基本概念篇

類的加載和卸載

JVM是虛擬機(jī)的一種，它的指令集語言是字節(jié)碼，字節(jié)碼構(gòu)成的文件是class文件。平常我們寫的Java文件，需要編譯為class文件才能交給JVM運(yùn)行。可以這么說：C語言代碼——>二進(jìn)制文件——>計(jì)算機(jī)硬件，就相當(dāng)于Java代碼——>字節(jié)碼文件——>JVM。JVM將指定的class文件讀取到內(nèi)存里，并運(yùn)行該class文件里的Java程序的過程，就稱之為類的加載;反之，將某個(gè)class文件的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)從JVM中移除的過程，就稱之為類的卸載。

class文件的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)就是C++對(duì)象，也稱為kclass對(duì)象，這些運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)在JDK7之前是放在永久代(PermGen)，JDK8之后則放在元空間(Metaspace)。

類的生命周期

Java類從被虛擬機(jī)加載開始，到卸載出內(nèi)存為止，它的整個(gè)生命周期包括：加載(Loading)、驗(yàn)證(Verification)、準(zhǔn)備(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸載(Unloading)7個(gè)階段;其中驗(yàn)證、準(zhǔn)備和解析又統(tǒng)稱為連接(Linking)階段。

類的加載的時(shí)機(jī)

虛擬機(jī)規(guī)范并未嚴(yán)格規(guī)定類加載的時(shí)機(jī)，跟具體的JVM虛擬機(jī)有關(guān)。類加載的最佳時(shí)機(jī)是解析Java字節(jié)碼類文件中常量池符號(hào)的時(shí)候，Class.forName()、ClassLoader.loadClass()、反射API和JNI_FindClass都可以觸發(fā)類加載，Hot JVM自身啟動(dòng)的時(shí)候也會(huì)觸發(fā)類加載。

通過JVM參數(shù)中加-verbose:class，可以在應(yīng)用啟動(dòng)的時(shí)候打印類加載的過程，如下圖所示：

  1. 初始化這個(gè)階段，JVM虛擬機(jī)給出了5種必須對(duì)類進(jìn)行“初始化”的情況
  2. 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、調(diào)用一個(gè)類的靜態(tài)方法的時(shí)候;
  3. 使用java.lang.reflect包的方法對(duì)類進(jìn)行反射調(diào)用的時(shí)候，如果類沒有進(jìn)行過初始化，則要先觸發(fā)其初始化;
  4. 當(dāng)初始化一個(gè)類的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)其父類還沒有被初始化，則要先初始化其父類;
  5. 當(dāng)虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，用戶需要指定一個(gè)執(zhí)行的主類(包含main方法的那個(gè)類)，則虛擬機(jī)會(huì)優(yōu)先初始化這個(gè)主類;
  6. 在JDK1.7以后，動(dòng)態(tài)語言支持的時(shí)候，如果一個(gè)java.lang.invoke.MethodHandle實(shí)例最后的結(jié)果是要執(zhí)行第1種情況的操作，則也要進(jìn)行初始化。

類的卸載時(shí)機(jī)

類的卸載跟采用的垃圾收集算法有關(guān)，在CMS中有兩種方法卸載不必要的類，一種是等到元空間(Metaspace)滿了的時(shí)候觸發(fā)FGC，另一種是使用跟CMS并發(fā)收集算法類似的方式，不過對(duì)于元空間的閾值和觸發(fā)CMS并發(fā)收集的閾值是獨(dú)立的。更具體的可以參考之前的文章：CMS學(xué)習(xí)筆記。在這里，我們只需要記住，JVM中一個(gè)類的卸載要滿足下面這3個(gè)條件：

  1. 該類所有的實(shí)例對(duì)象都已被回收;
  2. 該類的類加載器對(duì)象已經(jīng)被回收;
  3. 該類對(duì)應(yīng)的java.lang.Class對(duì)象沒有在任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法。

類加載器的作用

類的加載是需要類加載器完成的，但是類加載器在JVM中的作用可不止這些。在JVM中，一個(gè)類的唯一性是需要這個(gè)類本身和類加載一起才能確定的，每個(gè)類加載器都有一個(gè)獨(dú)立的命名空間。

不同的類加載器，即使是同一個(gè)類字節(jié)碼文件，最后再JVM里的類對(duì)象也不是同一個(gè)，下面的代碼展示了這個(gè)結(jié)論：

  
 
 
 
    
   
  
  
  
  1. package jvm;
    2. 
   
  
  
  
  2. import java.io.IOException;
    3. 
   
  
  
  
  3. import java.io.InputStream;
    4. 
   
  
  
  
  4. public class ClassLoaderTest {
    5. 
   
  
  
  
  5.  public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException,
    6. 
   
  
  
  
  6.  InstantiationException {
    7. 
   
  
  
  
  7.  ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
    8. 
   
  
  
  
  8.  @Override
    9. 
   
  
  
  
  9.  public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    10. 
   
  
  
  
  10.  String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
    11. 
   
  
  
  
  11.  InputStream inputStream = getClass().getResourceAsStream(fileName);
    12. 
   
  
  
  
  12.  if (inputStream == null) {
    13. 
   
  
  
  
  13.  return super.loadClass(name);
    14. 
   
  
  
  
  14.  }
    15. 
   
  
  
  
  15.  try {
    16. 
   
  
  
  
  16.  byte[] b = new byte[inputStream.available()];
    17. 
   
  
  
  
  17.  inputStream.read(b);
    18. 
   
  
  
  
  18.  return defineClass(name, b, 0, b.length);
    19. 
   
  
  
  
  19.  } catch (IOException e) {
    20. 
   
  
  
  
  20.  throw new ClassNotFoundException();
    21. 
   
  
  
  
  21.  }
    22. 
   
  
  
  
  22.  }
    23. 
   
  
  
  
  23.  };
    24. 
   
  
  
  
  24.  Object obj = myLoader.loadClass("jvm.ClassLoaderTest").newInstance();
    25. 
   
  
  
  
  25.  System.out.println(obj.getClass());
    26. 
   
  
  
  
  26.  System.out.println(obj instanceof jvm.ClassLoaderTest);
    27. 
   
  
  
  
  27.  ClassLoaderTest classLoaderTest = new ClassLoaderTest();
    28. 
   
  
  
  
  28.  System.out.println(classLoaderTest.getClass());
    29. 
   
  
  
  
  29.  System.out.println(classLoaderTest instanceof jvm.ClassLoaderTest);
    30. 
   
  
  
  
  30.  }
    31. 
   
  
  
  
  31. }
    32.

上述代碼的運(yùn)行結(jié)果是：

可以看出，代碼中使用自定義類加載器(myLoader)加載的jvm.ClassLoaderTest類和通過應(yīng)用程序類加載器加載的類不是同一個(gè)類。綜上，類加載器在JVM中的作用有：

  1. 將類的字節(jié)碼文件從JVM外部加載到內(nèi)存中
  2. 確定一個(gè)類的唯一性
  3. 提供隔離特性，為中間件開發(fā)者提供便利，例如Tomcat

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