【37期】請(qǐng)你詳細(xì)說說類加載流程，類加載機(jī)制及自定義類加載器

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一、引言

當(dāng)程序使用某個(gè)類時(shí)，如果該類還未被加載到內(nèi)存中，則JVM會(huì)通過加載、鏈接、初始化三個(gè)步驟對(duì)該類進(jìn)行類加載。

二、類的加載、鏈接、初始化

1、加載

類加載指的是將類的class文件讀入內(nèi)存，并為之創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class對(duì)象。類的加載過程是由類加載器來完成，類加載器由JVM提供。我們開發(fā)人員也可以通過繼承ClassLoader來實(shí)現(xiàn)自己的類加載器。

1.1、加載的class來源

• 從本地文件系統(tǒng)內(nèi)加載class文件

• 從JAR包加載class文件

• 通過網(wǎng)絡(luò)加載class文件

• 把一個(gè)java源文件動(dòng)態(tài)編譯，并執(zhí)行加載。

2、類的鏈接

通過類的加載，內(nèi)存中已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)Class對(duì)象。鏈接負(fù)責(zé)將二進(jìn)制數(shù)據(jù)合并到 JRE中。鏈接需要通過驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析三個(gè)階段。

2.1、驗(yàn)證

驗(yàn)證階段用于檢查被加載的類是否有正確的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并和其他類協(xié)調(diào)一致。即是否滿足java虛擬機(jī)的約束。

2.2、準(zhǔn)備

類準(zhǔn)備階段負(fù)責(zé)為類的類變量分配內(nèi)存，并設(shè)置默認(rèn)初始值。

2.3、解析

我們知道，引用其實(shí)對(duì)應(yīng)于內(nèi)存地址。思考這樣一個(gè)問題，在編寫代碼時(shí)，使用引用，方法時(shí)，類知道這些引用方法的內(nèi)存地址嗎？顯然是不知道的，因?yàn)轭愡€未被加載到虛擬機(jī)中，你無法獲得這些地址。

舉例來說，對(duì)于一個(gè)方法的調(diào)用，編譯器會(huì)生成一個(gè)包含目標(biāo)方法所在的類、目標(biāo)方法名、接收參數(shù)類型以及返回值類型的符號(hào)引用，來指代要調(diào)用的方法。

解析階段的目的，就是將這些符號(hào)引用解析為實(shí)際引用。如果符號(hào)引用指向一個(gè)未被加載的類，或者未被加載類的字段或方法，那么解析將觸發(fā)這個(gè)類的加載（但未必會(huì)觸發(fā)解析與初始化）。

3、類的初始化

類的初始化階段，虛擬機(jī)主要對(duì)類變量進(jìn)行初始化。虛擬機(jī)調(diào)用< clinit>方法，進(jìn)行類變量的初始化。

java類中對(duì)類變量進(jìn)行初始化的兩種方式：

1. 在定義時(shí)初始化

2. 在靜態(tài)初始化塊內(nèi)初始化

3.1、< clinit>方法相關(guān)

虛擬機(jī)會(huì)收集類及父類中的類變量及類方法組合為< clinit>方法，根據(jù)定義的順序進(jìn)行初始化。虛擬機(jī)會(huì)保證子類的< clinit>執(zhí)行之前，父類的< clinit>方法先執(zhí)行完畢。

因此，虛擬機(jī)中第一個(gè)被執(zhí)行完畢的< clinit>方法肯定是java.lang.Object方法。

public?class?Test?{
????static?int?A?=?10;
????static?{
????????A?=?20;
????}
}

class?Test1?extends?Test?{
????private?static?int?B?=?A;
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????System.out.println(Test1.B);
????}
}
//輸出結(jié)果
//20

從輸出中看出，父類的靜態(tài)初始化塊在子類靜態(tài)變量初始化之前初始化完畢，所以輸出結(jié)果是20，不是10。

如果類或者父類中都沒有靜態(tài)變量及方法，虛擬機(jī)不會(huì)為其生成< clinit>方法。

接口與類不同的是，執(zhí)行接口的＜clinit＞方法不需要先執(zhí)行父接口的＜clinit＞方法。只有當(dāng)父接口中定義的變量使用時(shí)，父接口才會(huì)初始化。另外，接口的實(shí)現(xiàn)類在初始化時(shí)也一樣不會(huì)執(zhí)行接口的＜clinit＞方法。

public?interface?InterfaceInitTest?{
????long?A?=?CurrentTime.getTime();

}

interface?InterfaceInitTest1?extends?InterfaceInitTest?{
????int?B?=?100;
}

class?InterfaceInitTestImpl?implements?InterfaceInitTest1?{
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????System.out.println(InterfaceInitTestImpl.B);
????????System.out.println("---------------------------");
????????System.out.println("當(dāng)前時(shí)間："+InterfaceInitTestImpl.A);
????}
}

class?CurrentTime?{
????static?long?getTime()?{
????????System.out.println("加載了InterfaceInitTest接口");
????????return?System.currentTimeMillis();
????}
}
//輸出結(jié)果
//100
//---------------------------
//加載了InterfaceInitTest接口
//當(dāng)前時(shí)間：1560158880660

從輸出驗(yàn)證了：對(duì)于接口，只有真正使用父接口的類變量才會(huì)真正的加載父接口。這跟普通類加載不一樣。

虛擬機(jī)會(huì)保證一個(gè)類的< clinit>方法在多線程環(huán)境中被正確地加鎖和同步，如果多個(gè)線程同時(shí)去初始化一個(gè)類，那么只有一個(gè)線程去執(zhí)行這個(gè)類的< clinit>方法，其他線程都需要阻塞等待，直到活動(dòng)線程執(zhí)行< clinit>方法完畢。

public?class?MultiThreadInitTest?{
????static?int?A?=?10;
????static?{
???????????System.out.println(Thread.currentThread()+"init?MultiThreadInitTest");
????????try?{
????????????TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????}

????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????Runnable?runnable?=?()?->?{
????????????System.out.println(Thread.currentThread()?+?"start");
????????????System.out.println(MultiThreadInitTest.A);
????????????System.out.println(Thread.currentThread()?+?"run?over");
????????};
????????Thread?thread1?=?new?Thread(runnable);
????????Thread?thread2?=?new?Thread(runnable);
????????thread1.start();
????????thread2.start();
????}
}
//輸出結(jié)果
//Thread[main,5,main]init?MultiThreadInitTest
//Thread[Thread-0,5,main]start
//10
//Thread[Thread-0,5,main]run?over
//Thread[Thread-1,5,main]start
//10
//Thread[Thread-1,5,main]run?over

從輸出中看出驗(yàn)證了：只有第一個(gè)線程對(duì)MultiThreadInitTest進(jìn)行了一次初始化，第二個(gè)線程一直阻塞等待等第一個(gè)線程初始化完畢。

3.2、類初始化時(shí)機(jī)

1. 當(dāng)虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，初始化用戶指定的主類；

2. 當(dāng)遇到用以新建目標(biāo)類實(shí)例的new指令時(shí)，初始化new指令的目標(biāo)類；

3. 當(dāng)遇到調(diào)用靜態(tài)方法或者使用靜態(tài)變量，初始化靜態(tài)變量或方法所在的類；

4. 子類初始化過程會(huì)觸發(fā)父類初始化；

5. 如果一個(gè)接口定義了default方法，那么直接實(shí)現(xiàn)或者間接實(shí)現(xiàn)該接口的類的初始化，會(huì)觸發(fā)該接口初始化；

6. 使用反射API對(duì)某個(gè)類進(jìn)行反射調(diào)用時(shí)，初始化這個(gè)類；

7. Class.forName()會(huì)觸發(fā)類的初始化

3.3、final定義的初始化

注意：對(duì)于一個(gè)使用final定義的常量，如果在編譯時(shí)就已經(jīng)確定了值，在引用時(shí)不會(huì)觸發(fā)初始化，因?yàn)樵诰幾g的時(shí)候就已經(jīng)確定下來，就是“宏變量”。如果在編譯時(shí)無法確定，在初次使用才會(huì)導(dǎo)致初始化。

public?class?StaticInnerSingleton?{
????/**
?????*?使用靜態(tài)內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)單例：
?????* 1：線程安全
?????* 2：懶加載
?????* 3：非反序列化安全，即反序列化得到的對(duì)象與序列化時(shí)的單例對(duì)象不是同一個(gè)，違反單例原則
?????*/
????private?static?class?LazyHolder?{
????????private?static?final?StaticInnerSingleton?INNER_SINGLETON?=?new?StaticInnerSingleton();
????}

????private?StaticInnerSingleton()?{
????}

????public?static?StaticInnerSingleton?getInstance()?{
????????return?LazyHolder.INNER_SINGLETON;
????}
}

看這個(gè)例子，單例模式靜態(tài)內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)方式。我們可以看到單例實(shí)例使用final定義，但在編譯時(shí)無法確定下來，所以在第一次使用StaticInnerSingleton.getInstance()方法時(shí)，才會(huì)觸發(fā)靜態(tài)內(nèi)部類的加載，也就是延遲加載。

這里想指出，如果final定義的變量在編譯時(shí)無法確定，則在使用時(shí)還是會(huì)進(jìn)行類的初始化。

3.4、ClassLoader只會(huì)對(duì)類進(jìn)行加載，不會(huì)進(jìn)行初始化

public?class?Tester?{
????static?{
????????System.out.println("Tester類的靜態(tài)初始化塊");
????}
}

class?ClassLoaderTest?{
????public?static?void?main(String[]?args)?throws?ClassNotFoundException?{
????????ClassLoader?classLoader?=?ClassLoader.getSystemClassLoader();
????????//下面語句僅僅是加載Tester類
????????classLoader.loadClass("loader.Tester");
????????System.out.println("系統(tǒng)加載Tester類");
????????//下面語句才會(huì)初始化Tester類
????????Class.forName("loader.Tester");
????}
}
//輸出結(jié)果
//系統(tǒng)加載Tester類
//Tester類的靜態(tài)初始化塊

從輸出證明：ClassLoader只會(huì)對(duì)類進(jìn)行加載，不會(huì)進(jìn)行初始化；使用Class.forName()會(huì)強(qiáng)制導(dǎo)致類的初始化。

三、類加載器

類加載器負(fù)責(zé)將.class文件（不管是jar,還是本地磁盤，還是網(wǎng)絡(luò)獲取等等）加載到內(nèi)存中，并為之生成對(duì)應(yīng)的java.lang.Class對(duì)象。一個(gè)類被加載到JVM中，就不會(huì)第二次加載了。

那怎么判斷是同一個(gè)類呢？

每個(gè)類在JVM中使用全限定類名（包名+類名）與類加載器聯(lián)合為唯一的ID，所以如果同一個(gè)類使用不同的類加載器，可以被加載到虛擬機(jī)，但彼此不兼容。

1、JVM類加載器分類

1.1、Bootstrap ClassLoader

Bootstrap ClassLoader為根類加載器，負(fù)責(zé)加載java的核心類庫(kù)。根加載器不是ClassLoader的子類，是有C++實(shí)現(xiàn)的。

public?class?BootstrapTest?{
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????//獲取根類加載器所加載的全部URL數(shù)組
????????URL[]?urLs?=?Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
????????Arrays.stream(urLs).forEach(System.out::println);
????}
}
//輸出結(jié)果
//file:/C:/SorftwareInstall/java/jdk/jre/lib/resources.jar
//file:/C:/SorftwareInstall/java/jdk/jre/lib/rt.jar
//file:/C:/SorftwareInstall/java/jdk/jre/lib/sunrsasign.jar
//file:/C:/SorftwareInstall/java/jdk/jre/lib/jsse.jar
//file:/C:/SorftwareInstall/java/jdk/jre/lib/jce.jar
//file:/C:/SorftwareInstall/java/jdk/jre/lib/charsets.jar
//file:/C:/SorftwareInstall/java/jdk/jre/lib/jfr.jar
//file:/C:/SorftwareInstall/java/jdk/jre/classes

根類加載器負(fù)責(zé)加載%JAVA_HOME%/jre/lib下的jar包（以及由虛擬機(jī)參數(shù) -Xbootclasspath 指定的類）。

我們將rt.jar解壓，可以看到我們經(jīng)常使用的類庫(kù)就在這個(gè)jar包中。

1.2 、Extension ClassLoader

Extension ClassLoader為擴(kuò)展類加載器，負(fù)責(zé)加載%JAVA_HOME%/jre/ext或者java.ext.dirs系統(tǒng)熟悉指定的目錄的jar包。大家可以將自己寫的工具包放到這個(gè)目錄下，可以方便自己使用。

1.3、 System ClassLoader

System ClassLoader為系統(tǒng)（應(yīng)用）類加載器，負(fù)責(zé)加載加載來自java命令的-classpath選項(xiàng)、java.class.path系統(tǒng)屬性，或者CLASSPATH環(huán)境變量所指定的JAR包和類路徑。程序可以通過ClassLoader.getSystemClassLoader()來獲取系統(tǒng)類加載器。如果沒有特別指定，則用戶自定義的類加載器默認(rèn)都以系統(tǒng)類加載器作為父加載器。

四、類加載機(jī)制

1.1、JVM主要的類加載機(jī)制。

1. 全盤負(fù)責(zé)：當(dāng)一個(gè)類加載器負(fù)責(zé)加載某個(gè)Class時(shí)，該Class所依賴和引用的其他Class也由該類加載器負(fù)責(zé)載入，除非顯示使用另一個(gè)類加載器來載入。

2. 父類委托（雙親委派）：先讓父加載器試圖加載該Class，只有在父加載器無法加載時(shí)該類加載器才會(huì)嘗試從自己的類路徑中加載該類。

3. 緩存機(jī)制：緩存機(jī)制會(huì)將已經(jīng)加載的class緩存起來，當(dāng)程序中需要使用某個(gè)Class時(shí)，類加載器先從緩存區(qū)中搜尋該Class，只有當(dāng)緩存中不存在該Class時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)讀取該類的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為Class對(duì)象，存入緩存中。這就是為什么更改了class后，需要重啟JVM才生效的原因。

注意：類加載器之間的父子關(guān)系并不是類繼承上的父子關(guān)系，而是實(shí)例之間的父子關(guān)系。

public?class?ClassloaderPropTest?{
????public?static?void?main(String[]?args)?throws?IOException?{
????????//獲取系統(tǒng)類加載器
????????ClassLoader?systemClassLoader?=?ClassLoader.getSystemClassLoader();
????????System.out.println("系統(tǒng)類加載器："?+?systemClassLoader);
????????/*
????????獲取系統(tǒng)類加載器的加載路徑——通常由CLASSPATH環(huán)境變量指定，如果操作系統(tǒng)沒有指定
????????CLASSPATH環(huán)境變量，則默認(rèn)以當(dāng)前路徑作為系統(tǒng)類加載器的加載路徑
?????????*/
????????Enumeration?eml?=?systemClassLoader.getResources("");
????????while?(eml.hasMoreElements())?{
????????????System.out.println(eml.nextElement());
????????}
????????//獲取系統(tǒng)類加載器的父類加載器，得到擴(kuò)展類加載器
????????ClassLoader?extensionLoader?=?systemClassLoader.getParent();
????????System.out.println("系統(tǒng)類的父加載器是擴(kuò)展類加載器："?+?extensionLoader);
????????System.out.println("擴(kuò)展類加載器的加載路徑："?+?System.getProperty("java.ext.dirs"));
????????System.out.println("擴(kuò)展類加載器的parant："?+?extensionLoader.getParent());
????}
}
//輸出結(jié)果
//系統(tǒng)類加載器：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
//file:/C:/ProjectTest/FengKuang/out/production/FengKuang/
//系統(tǒng)類的父加載器是擴(kuò)展類加載器：sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d
//擴(kuò)展類加載器的加載路徑：C:\SorftwareInstall\java\jdk\jre\lib\ext;C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext
//擴(kuò)展類加載器的parant：null

從輸出中驗(yàn)證了：系統(tǒng)類加載器的父加載器是擴(kuò)展類加載器。但輸出中擴(kuò)展類加載器的父加載器是null，這是因?yàn)楦讣虞d器不是java實(shí)現(xiàn)的，是C++實(shí)現(xiàn)的，所以獲取不到。但擴(kuò)展類加載器的父加載器是根加載器。

1.2、類加載流程圖

圖中紅色部分，可以是我們自定義實(shí)現(xiàn)的類加載器來進(jìn)行加載。

五、創(chuàng)建并使用自定義類加載器

1、自定義類加載分析

除了根類加載器，所有類加載器都是ClassLoader的子類。所以我們可以通過繼承ClassLoader來實(shí)現(xiàn)自己的類加載器。

ClassLoader類有兩個(gè)關(guān)鍵的方法：

1. protected Class?loadClass(String name, boolean resolve)：name為類名，resove如果為true，在加載時(shí)解析該類。

2. protected Class?findClass(String name)?：根據(jù)指定類名來查找類。

所以，如果要實(shí)現(xiàn)自定義類，可以重寫這兩個(gè)方法來實(shí)現(xiàn)。但推薦重寫findClass方法，而不是重寫loadClass方法，因?yàn)閘oadClass方法內(nèi)部會(huì)調(diào)用findClass方法。

我們來看一下loadClass的源碼

protected?Class?loadClass(String?name,?boolean?resolve)
????????throws?ClassNotFoundException
????{
????????synchronized?(getClassLoadingLock(name))?{
????????????//第一步，先從緩存里查看是否已經(jīng)加載
????????????Class?c?=?findLoadedClass(name);
????????????if?(c?==?null)?{
????????????????long?t0?=?System.nanoTime();
????????????????try?{
????????????????//第二步，判斷父加載器是否為null
????????????????????if?(parent?!=?null)?{
????????????????????????c?=?parent.loadClass(name,?false);
????????????????????}?else?{
????????????????????????c?=?findBootstrapClassOrNull(name);
????????????????????}
????????????????}?catch?(ClassNotFoundException?e)?{
????????????????????//?ClassNotFoundException?thrown?if?class?not?found
????????????????????//?from?the?non-null?parent?class?loader
????????????????}

????????????????if?(c?==?null)?{
???????????????????//第三步，如果前面都沒有找到，就會(huì)調(diào)用findClass方法
????????????????????long?t1?=?System.nanoTime();
????????????????????c?=?findClass(name);

????????????????????//?this?is?the?defining?class?loader;?record?the?stats
????????????????????sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1?-?t0);
???????????????????sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
????????????????????sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
????????????????}
????????????}
????????????if?(resolve)?{
????????????????resolveClass(c);
????????????}
????????????return?c;
????????}
????}

loadClass加載方法流程：

1. 判斷此類是否已經(jīng)加載；

2. 如果父加載器不為null，則使用父加載器進(jìn)行加載；反之，使用根加載器進(jìn)行加載；

3. 如果前面都沒加載成功，則使用findClass方法進(jìn)行加載。

所以，為了不影響類的加載過程，我們重寫findClass方法即可簡(jiǎn)單方便的實(shí)現(xiàn)自定義類加載。

2、實(shí)現(xiàn)自定義類加載器

基于以上分析，我們簡(jiǎn)單重寫findClass方法進(jìn)行自定義類加載。

public?class?Hello?{
???public?void?test(String?str){
???????System.out.println(str);
???}
}

public?class?MyClassloader?extends?ClassLoader?{

????/**
?????*?讀取文件內(nèi)容
?????*
?????*?@param?fileName?文件名
?????*?@return
?????*/
????private?byte[]?getBytes(String?fileName)?throws?IOException?{
????????File?file?=?new?File(fileName);
????????long?len?=?file.length();
????????byte[]?raw?=?new?byte[(int)?len];
????????try?(FileInputStream?fin?=?new?FileInputStream(file))?{
????????????//一次性讀取Class文件的全部二進(jìn)制數(shù)據(jù)
????????????int?read?=?fin.read(raw);
????????????if?(read?!=?len)?{
????????????????throw?new?IOException("無法讀取全部文件");
????????????}
????????????return?raw;
????????}
????}

????@Override
????protected?Class?findClass(String?name)?throws?ClassNotFoundException?{
????????Class?clazz?=?null;
????????//將包路徑的(.)替換為斜線(/)
????????String?fileStub?=?name.replace(".",?"/");
????????String?classFileName?=?fileStub?+?".class";
????????File?classFile?=?new?File(classFileName);

????????//如果Class文件存在，系統(tǒng)負(fù)責(zé)將該文件轉(zhuǎn)換為Class對(duì)象
????????if?(classFile.exists())?{
????????????try?{
????????????????//將Class文件的二進(jìn)制數(shù)據(jù)讀入數(shù)組
????????????????byte[]?raw?=?getBytes(classFileName);
????????????????//調(diào)用ClassLoader的defineClass方法將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Class對(duì)象
????????????????clazz?=?defineClass(name,?raw,?0,?raw.length);
????????????}?catch?(IOException?e)?{
????????????????e.printStackTrace();
????????????}
????????}
????????//如果clazz為null,表明加載失敗，拋出異常
????????if?(null?==?clazz)?{
????????????throw?new?ClassNotFoundException(name);
????????}
????????return?clazz;
????}

????public?static?void?main(String[]?args)?throws?Exception?{
????????String?classPath?=?"loader.Hello";
????????MyClassloader?myClassloader?=?new?MyClassloader();
????????Class?aClass?=?myClassloader.loadClass(classPath);
????????Method?main?=?aClass.getMethod("test",?String.class);
????????System.out.println(main);
????????main.invoke(aClass.newInstance(),?"Hello?World");
????}
}
//輸出結(jié)果
//Hello?World

ClassLoader還有一個(gè)重要的方法defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)。此方法的作用是將class的二進(jìn)制數(shù)組轉(zhuǎn)換為Calss對(duì)象。

此例子很簡(jiǎn)單，我寫了一個(gè)Hello測(cè)試類，并且編譯過后放在了當(dāng)前路徑下（大家可以在findClass中加入判斷，如果沒有此文件，可以嘗試查找.java文件，并進(jìn)行編譯得到.class文件；或者判斷.java文件的最后更新時(shí)間大于.class文件最后更新時(shí)間，再進(jìn)行重新編譯等邏輯）。

六、總結(jié)

本篇從類加載的三大階段：加載、鏈接、初始化開始細(xì)說每個(gè)階段的過程；詳細(xì)講解了JVM常用的類加載器的區(qū)別與聯(lián)系，以及類加載機(jī)制流程，最后通過自定義的類加載器例子結(jié)束本篇。小弟能力有限，大家看出有問題請(qǐng)指出，讓博主學(xué)習(xí)改正。歡迎討論啊。

注意：本篇博客總結(jié)主要來源。如有轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處

1. 《瘋狂java講義（第3版）》

2. 《深入理解java虛擬機(jī)++JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐》

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