JVM_11 类加载与字节码技术 (类加载与类的加载器)

1. 类加载阶段

1.1 加载阶段

• • 
    
• 将类的字节码载入方法区中，内部采用 C++ 的 instanceKlass 描述 java 类，它的重要 field 有：
• • • 
      
  • ​​_java_mirror​​ 即 java 的类镜像，例如对 String 来说，就是 String.class，作用是把 klass 暴 露给 java 使用
  • ​​_super​​ 即父类
  • ​​_fields​​ 即成员变量
  • ​​_methods​​ 即方法
  • ​​_constants​​ 即常量池
  • ​​_class_loader​​ 即类加载器
  • ​​_vtable​​ 虚方法表
  • ​​_itable​​ 接口方法表
    • 
      
• 如果这个类还有父类没有加载，则先触发父类的加载。
• 加载和链接可能是交替运行的。
  • 
    

注意：

• • 
    
• instanceKlass 这样的【元数据】是存储在方法区（1.8 后的元空间内），但 ​​_java_mirror​​ 是存储在堆中
• 可以通过前面介绍的 HSDB 工具查看
  • 
    

1.2 链接阶段

验证

验证类是否符合 JVM规范，安全性检查，阻止不合法的类继续运行。用 UE 等支持二进制的编辑器修改 ​​HelloWorld.class​​的魔数，在控制台运行：

E:\git\jvm\out\production\jvm>java cn.itcast.jvm.t5.HelloWorld
Error: A JNI error has occurred, please check your installation and try again
Exception in thread "main" java.lang.ClassFormatError: Incompatible magic value
3405691578 in class file cn/itcast/jvm/t5/HelloWorld
        at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
        at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)
        at
java.security.SecureClassLoader.defineClass(SecureClassLoader.java:142)
        at java.net.URLClassLoader.defineClass(URLClassLoader.java:467)
        at java.net.URLClassLoader.access$100(URLClassLoader.java:73)
        at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:368)
        at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:362)
        at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
        at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:361)
        at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424)
        at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:331)
        at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
        at sun.launcher.LauncherHelper.checkAndLoadMain(LauncherHelper.java:495)

准备

为 static 变量分配空间，设置默认值：

• • 
    
• static 变量在 JDK 7 之前存储于 instanceKlass 末尾，从 JDK 7 开始，存储于 _java_mirror 末尾
• static 变量分配空间和赋值是两个步骤，分配空间在准备阶段完成，赋值在初始化阶段完成
• 如果 static 变量是 final 的基本类型，以及字符串常量，那么编译阶段值就确定了，赋值在准备阶 段完成
• 如果 static 变量是 final 的，但属于引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成
• 将常量池中的符号引用解析为直接引用
  • 
    

解析

将常量池中的符号引用解析为直接引用：

/**
* 解析的含义
*/
public class Load2 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException,IOException {
        ClassLoader classloader = Load2.class.getClassLoader();
        // loadClass 方法不会导致类的解析和初始化
        Class<?> c = classloader.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.C");
        // new C();
        System.in.read();
    }
}

class C {
    D d = new D();
}

class D {
}

1.3 初始化阶段

< init()> V 方法

初始化即调用 < cinit>()V ，虚拟机会保证这个类的『构造方法』的线程安全。

发生的时机

概括得说，类初始化是【懒惰的】

• • 
    
• main 方法所在的类，总会被首先初始化
• 首次访问这个类的静态变量或静态方法时
• 子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
• 子类访问父类的静态变量，只会触发父类的初始化
• Class.forName
• new 会导致初始化
  • 
    

不会导致类初始化的情况：

• • 
    
• 访问类的 static final 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
• 类对象.class 不会触发初始化
• 创建该类的数组不会触发初始化
• 类加载器的 loadClass 方法
  • 
    

测试代码：

class A {
    static int a = 0;
    static {
        System.out.println("a init");
    }
}

class B extends A {
    final static double b = 5.0;
    static boolean c = false;
    static {
        System.out.println("b init");
    }
}

验证（测试时请先全部注释，每次只执行其中一个）

public class Load3 {
    // main方法的所在类总会被先初始化
    static {
        System.out.println("main init");
    }
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        // 1. 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
        System.out.println(B.b);
        // 2. 类对象.class 不会触发初始化
        System.out.println(B.class);
        // 3. 创建该类的数组不会触发初始化
        System.out.println(new B[0]);
        // 4. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        cl.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.B");
        // 5. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
        ClassLoader c2 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.B", false, c2);
        // 1. 首次访问这个类的静态变量或静态方法时
        System.out.println(A.a);
        // 2. 子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
        System.out.println(B.c);
        // 3. 子类访问父类静态变量，只触发父类初始化
        System.out.println(B.a);
        // 4. 会初始化类 B，并先初始化类 A
        Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.B");
    }
}

1.4 练习

从字节码分析，使用 a，b，c 这三个常量是否会导致 E 初始化：

public class Load4 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(E.a);
        System.out.println(E.b);
        System.out.println(E.c);
    }
}

class E {
    public static final int a = 10;
    public static final String b = "hello";
    public static final Integer c = 20;
}

典型应用 - 完成懒惰初始化单例模式：

public final class Singleton {
    private Singleton() { }
    // 内部类中保存单例
    private static class LazyHolder {
        static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    // 第一次调用 getInstance 方法，才会导致内部类加载和初始化其静态成员
    public static Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }
}

以上的实现特点是：

• • 
    
• 懒惰实例化
• 初始化时的线程安全是有保障的
  • 
    

2. 类加载器

以 JDK 8 为例：

名称	加载哪的类	说明
Bootstrap ClassLoader(启动类加载器)	JAVA_HOME/jre/lib	无法直接访问
Extension ClassLoader(扩展类加载器)	JAVA_HOME/jre/lib/ext	上级为 Bootstrap，显示为 null
Application ClassLoader(应用程序类加载器)	classpath	上级为 Extension
自定义类加载器	自定义	上级为 Application

类加载器的优先级（由高到低）：启动类加载器 -> 扩展类加载器 -> 应用程序类加载器 -> 自定义类加载器

2.1 启动类加载器

用 Bootstrap 类加载器加载类：

package cn.itcast.jvm.t3.load;

public class F {
    static {
        System.out.println("bootstrap F init");
    }
}

执行：

package cn.itcast.jvm.t3.load;

public class Load5_1 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.F");
        // aClass.getClassLoader()：获得aClass对应的类加载器
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

输出：

E:\git\jvm\out\production\jvm>java -Xbootclasspath/a:. cn.itcast.jvm.t3.load.Load5
bootstrap F init
null

• • 
    
• ​​-Xbootclasspath​​ 表示设置 bootclasspath
• 其中 ​​/a:.​​ 表示将当前目录追加至 bootclasspath 之后
• 可以有以下几个方式替换启动类路径下的核心类：
• • • 
      
  • ​​java -Xbootclasspath: < new bootclasspath>​​
  • 前追加：​​java -Xbootclasspath/a:<追加路径>​​
  • 后追加：​​java -Xbootclasspath/p:<追加路径>​​
    • 
      
  • 
    

2.2 扩展类加载器

package cn.itcast.jvm.t3.load;

public class G {
    static {
        System.out.println("classpath G init");
    }
}

程序执行：

public class Load5_2 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.G");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

输出结果：

classpath G init
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 // 这个类是由应用程序加载器加载

写一个同名的类：

package cn.itcast.jvm.t3.load;

public class G {
    static {
        System.out.println("ext G init");
    }
}

打个 jar 包：

E:\git\jvm\out\production\jvm>jar -cvf my.jar cn/itcast/jvm/t3/load/G.class // 将G.class打jar包
已添加清单
正在添加: cn/itcast/jvm/t3/load/G.class(输入 = 481) (输出 = 322)(压缩了 33%)

将 jar 包拷贝到​​JAVA_HOME/jre/lib/ext​​（扩展类加载器加载的类必须是以jar包方式存在），重新执行 Load5_2

输出：

ext G init
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@29453f44 // 这个类是由扩展类加载器加载

2.3 双亲委派模式

所谓的双亲委派，就是指调用类加载器的 loadClass 方法时，查找类的规则。

注意：这里的双亲，翻译为上级似乎更为合适，因为它们并没有继承关系

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 1. 检查该类是否已经加载
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    // 2. 有上级的话，委派上级 loadClass
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 3. 如果没有上级了（ExtClassLoader），则委派
                    BootstrapClassLoader
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
            }
            if (c == null) {
                long t1 = System.nanoTime();
                // 4. 每一层找不到，调用 findClass 方法（每个类加载器自己扩展）来加载
                c = findClass(name);
                // 5. 记录耗时
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

例如：

public class Load5_3 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Load5_3.class.getClassLoader()
                    .loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.H");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

执行流程为：

• • 
    
• ​​sun.misc.Launcher$AppClassLoader​​ // 1 处， 开始查看已加载的类，结果没有
• ​​sun.misc.Launcher$AppClassLoader​​​ // 2 处，委派上级 ​​sun.misc.Launcher$ExtClassLoader.loadClass()​​
• ​​sun.misc.Launcher$ExtClassLoader​​ // 1 处，查看已加载的类，结果没有
• ​​sun.misc.Launcher$ExtClassLoader​​ // 3 处，没有上级了，则委派 BootstrapClassLoader 查找
• BootstrapClassLoader 是在 ​​JAVA_HOME/jre/lib​​ 下找 H 这个类，显然没有
• ​​sun.misc.Launcher$ExtClassLoader​​​ // 4 处，调用自己的 findClass 方法，是在​​JAVA_HOME/jre/lib/ext​​​ 下找 H 这个类，显然没有，回到 ​​sun.misc.Launcher$AppClassLoader​​ 的 // 2 处
• 继续执行到 ​​sun.misc.Launcher$AppClassLoader​​ // 4 处，调用它自己的 findClass 方法，在 classpath 下查找，找到了
  • 
    

2.4 线程上下文类加载器

我们在使用 JDBC 时，都需要加载 Driver 驱动，不知道你注意到没有，不写

Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")

也是可以让 com.mysql.jdbc.Driver 正确加载的，你知道是怎么做的吗？ 让我们追踪一下源码：

public class DriverManager {
    // 注册驱动的集合
    private final static CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> registeredDrivers 
        = new CopyOnWriteArrayList<>();

    // 初始化驱动
    static {
        loadInitialDrivers();
        println("JDBC DriverManager initialized");
    }

先不看别的，看看 DriverManager 的类加载器：

System.out.println(DriverManager.class.getClassLoader());

打印 null，表示它的类加载器是 Bootstrap ClassLoader，会到 ​​JAVA_HOME/jre/lib​​​ 下搜索类，但 ​​JAVA_HOME/jre/lib​​​ 下显然没有 ​​mysql-connector-java-5.1.47.jar​​​ 包，这样问题来了，在 DriverManager 的静态代码块中，怎么能正确加载 ​​com.mysql.jdbc.Driver​​ 呢？

继续看 ​​loadInitialDrivers()​​ 方法：

private static void loadInitialDrivers() {
    String drivers;
    try {
        drivers = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() {
            public String run() {
                return System.getProperty("jdbc.drivers");
            }
        });
    } catch (Exception ex) {
        drivers = null;
    }
    // 1）使用 ServiceLoader 机制加载驱动，即 SPI
    AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
        public Void run() {
            ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
            Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
            try{
                while(driversIterator.hasNext()) {
                    driversIterator.next();
                }
            } catch(Throwable t) {
                // Do nothing
            }
            return null;
        }
    });
    println("DriverManager.initialize: jdbc.drivers = " + drivers);

    // 2）使用 jdbc.drivers 定义的驱动名加载驱动
    if (drivers == null || drivers.equals("")) {
        return;
    }
    String[] driversList = drivers.split(":");
    println("number of Drivers:" + driversList.length);
    for (String aDriver : driversList) {
        try {
            println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
            // 这里的 ClassLoader.getSystemClassLoader() 就是应用程序类加载器
            Class.forName(aDriver, true, ClassLoader.getSystemClassLoader());
        } catch (Exception ex) {
            println("DriverManager.Initialize: load failed: " + ex);
        }
    }
}

先看 2）发现它最后是使用 Class.forName 完成类的加载和初始化，关联的是应用程序类加载器，因此 可以顺利完成类加载

再看 1）它就是大名鼎鼎的 Service Provider Interface （SPI）

约定如下，在 jar 包的 ​​META-INF/services​​ 包下，以接口全限定名名为文件，文件内容是实现类名称

这样就可以使用:

ServiceLoader<接口类型> allImpls = ServiceLoader.load(接口类型.class);
Iterator<接口类型> iter = allImpls.iterator();
while(iter.hasNext()) {
  iter.next();
}

来得到实现类，体现的是【面向接口编程+解耦】的思想，在下面一些框架中都运用了此思想：

• • 
    
• JDBC
• Servlet 初始化器
• Spring 容器
• Dubbo（对 SPI 进行了扩展）
  • 
    

接着看 ServiceLoader.load 方法：

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    // 获取线程上下文类加载器
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

线程上下文类加载器是当前线程使用的类加载器，默认就是应用程序类加载器，它内部又是由 Class.forName 调用了线程上下文类加载器完成类加载，具体代码在 ServiceLoader 的内部类 LazyIterator 中：

private S nextService() {
    if (!hasNextService())
        throw new NoSuchElementException();
    String cn = nextName;
    nextName = null;
    Class<?> c = null;
    try {
        c = Class.forName(cn, false, loader);
    } catch (ClassNotFoundException x) {
        fail(service, "Provider " + cn + " not found");
    }
    if (!service.isAssignableFrom(c)) {
        fail(service, "Provider " + cn + " not a subtype");
    }
    try {
        S p = service.cast(c.newInstance());
        providers.put(cn, p);
        return p;
    } catch (Throwable x) {
        fail(service, "Provider " + cn + " could not be instantiated", x);
    }
    throw new Error(); // This cannot happen
}

2.5 自定义类加载器

问问自己，什么时候需要自定义类加载器：

• • 
    
• 1）想加载非 classpath 随意路径中的类文件
• 2）都是通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计
• 3）这些类希望予以隔离，不同应用的同名类都可以加载，不冲突，常见于 tomcat 容器
  • 
    

步骤：

• • 
    
• 继承 ClassLoader 父类
• 要遵从双亲委派机制，重写 findClass 方法 注意不是重写 loadClass 方法，否则不会走双亲委派机制
• 读取类文件的字节码
• 调用父类的 defineClass 方法来加载类
• 使用者调用该类加载器的 loadClass 方法