类加载过程

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一个类从加载到卸载的生命周期如上图所示. 其中验证, 准备, 解析三个阶段也统称为链接阶段.

加载

在加载阶段, Java虚拟机需要完成三件事情

  1. 根据类的全限定名获取其二进制流
  2. 将二进制流转化为方法区的运行时数据结构
  3. 在内存中生成一个代表这个类的class对象, 作为方法区这个类各种数据的访问入口

因为并没有规定如何获取二进制流, 因此在实现的时候有多种选择, 例如从压缩包(jar)或者网络(web applet)读取, 这些读取方法各自产生了一些Java的技术.

加载阶段和链接阶段可以有一部分重叠, 在加载还没有完全结束之前, 就可以先开始一部分链接阶段的工作(例如开始部分验证工作).

验证

验证阶段主要的工作是验证字节码是否满足Java虚拟机中的约束要求, 是否存在危害虚拟机安全的代码.

Java语言规定了很多不安全的行为, 包括数组越界, 跳转到不存在的代码位置等. 如果在Java语言中出现了这些行为, 代码将无法编译. 但字节码文件可以通过其他方式产生, 因此JVM并不能直接信任字节码文件中的代码.

验证阶段的内容比较多且比较细节, 具体可以查看Java Virtual Machine Specification 5.4.1. Verification

准备

准备阶段的工作是为类变量(类中的静态变量)分配内存空间并赋予初始值. 这一阶段的内存分配工作与实例变量没有关系, 从逻辑上将, 这是在方法区分配内存空间. 不过在最终的实现上, HotSpot虚拟机的方法区也位于Java堆上.

如果静态变量并没有被final修饰, 那么赋予的初始值是相应类型的零值, 而实际的赋值在类构造器<clinit>()方法之中. 反之, 如果被final修饰, 那么此时就会赋予给定的初始值.

解析

解析阶段的主要工作是将常量池中的符号引用替换为直接引用.

初始化

初始化阶段执行用户在Java代码中写的初始化语句, 包括对static变量赋值和位于static{}代码块中的其他代码. 编译器会自动收集这些操作, 并在<clinit>()方法中进行调用.

对于类, 虚拟机保证父类的<clinit>()方法会比子类的<clinit>()方法先执行. 而对于接口, 只有使用到父类的字段时才会对父类进行初始化, 否则仅初始化子类的接口.

虚拟机保证在多线程环境下, 初始化过程能够被正确的同步.

类加载器

类加载器用于实现类的加载动作, 但对于每一个类, 加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性. 也就是说同一个类加载器加载的同一个类才是相同的, 不同的类加载器即使加载了同一个类, 在JVM中也认为是不同的.

双亲委派模型

JVM的类加载器使用双亲委派模型, 即系统中存在多种不同的类加载器, 各种类加载器之间存在一定的层次结构. 其示意图如下图所示

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其中Bootstrap Class Loader由JVM提供实现, 用于加载核心的类. Extension Class Loader和之后的类加载器都使用功Java实现, 其中Extension Class Loader加载扩展类, 而Application Class Loader加载用户自定义的类.

每当一个类加载器需要加载一个类时, 其首先将这一加载请求委托给父加载器处理, 如果父加载器无法处理, 再由自己进行处理. 其代码如下所示

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protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
{
// 首先, 检查请求的类是否已经被加载过了
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
try {
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// 如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
// 说明父类加载器无法完成加载请求
}

if (c == null) {
// 在父类加载器无法加载时
// 再调用本身的findClass方法来进行类加载
c = findClass(name);
}
}

if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}

使用双亲委托模型可以保证核心的库始终被Bootstrap Class Loader加载. 基础的类库不会因为不同的加载器加载导致出现混乱.

自定义的类加载器应该重写findClass方法, 从而复用loadClass的双亲委派逻辑

破坏双亲委派模型

  1. 直接重写loadClass方法, 从而覆盖原本的双亲委派逻辑
  2. SPI机制: 由于SPI机制需要核心类加载用户提供的类, 因此引入线程上下文加载器.
  3. OSGI热部署: 每个模块使用一个单独的类加载器

模块化的类加载器

JDK9中引入模块化系统, 模块化下的类加载器发生了一些变化.

首先, Extension Class Loader被Platform Class Loader取代, 因为模块化以后, 模块天然具有扩展性, 因此不再需要Extension Class Loader.

并且由于模块化之后, 新版本的JDK中也不再单独提供jre目录, 用户可以根据自己的需要在jmod中选择需要的模块构成自定义的jre.

其次, 平台类加载器和应用程序类加载器都不再派生自java.net.URLClassLoader, 如果之前的程序依赖了相关的方法, 那么在新的JDK上可能会启动失败.

最后更新: 2024年07月17日 13:33

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