JVM—【03】认识Java类的生命周期、类加载的过程、双亲委派机制

  • JVM把描述类的数据从Class文件加载到内存,并对数据进行校验、转换解析和初始化,最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型,这就是虚拟机的类加载机制。

  • 在Java语言中,类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的。

    这种策略在类加载时稍微会增加一些性能开销,但是提高了Java应用程序的灵活性。

    Java天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。

2. 类的生命周期

JVM—【03】认识Java类的生命周期、类加载的过程、双亲委派机制
  • 类从加载到虚拟机内存开始到卸载出内存为止的生命周期包括7个阶段:

    加载、验证、准备、初始化和卸载这5个顺序是固定的,类加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始。

    解析阶段在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始,这是为了支持Java语言的运行时绑定。

    这些阶段通常都是相互交叉地混合式进行的,通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另一个阶段。

  • 有且只有5种必须进行类初始化的情况(主动引用):

    遇到 newgetstaticputstaticinvokestatic 这4个字节码指令时,最常见的Java代码是场景是:使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段(被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)的时候、调用一个类的静态方法的时候.

    使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候,如果类没有进行过初始化,则需要触发其初始化。

    当初始化一个类的时候,如果其父类还没有进行过初始化,则需要先触发其父类的初始化。

    当虚拟机启动时,用户需要指定一个要执行的主类,虚拟机会先初始化这个主类(包含main方法的类)

    当使用jdk的动态语言支持时,如果一个 java.lang.invoke.Methodhandle 实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄,并且这个方法句柄所对应的类没有进行初始化,则需要先进行初始化。

  • 被动引用:

    通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化。 对于静态字段,只有直接定义这个字段的类才会被初始化 ,因此通过其子类类引用父类中定义的静态字段,只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。至于是否要触发子类的加载和验证,在JVM规范中并没有明确规定,这点取决于虚拟机的具体实现.示例代码如下:

    package io.ilss.main;
    
    /**
    * @author yiren
    * @date 2019-08-20
    **/
    public class SuperClass {
        static {
            System.out.println("SuperClass init!");
        }
    
        public static int value = 123;
    
    }
    
    
    package io.ilss.main;
    
    /**
    * @author yiren
    * @date 2019-08-20
    **/
    public class SubClass extends SuperClass {
        static {
            System.out.println("SubClass init!");
        }
    }
    
    package io.ilss.main;
    
    /**
    * @author yiren
    * @date 2019-08-20
    **/
    public class NotInitialization {
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println(SubClass.value);
        }
    }
    
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    通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化。而是 触发这个数组元素类对应的数组类的初始化 。如一个 io.ilss.Demo 类则对应 [io.ilss.Demo 的一个类,对于用户代码来说这不是一个合法的类名称,它是由虚拟机自动生成的、直接继承与 java.lang.Object 的子类,创建动作由字节码指令 newarray 触发。 [io.ilss.Demo 这个类代表了 io.ilss.Demo 对应的一位数组,数组中应有的属性和方法都实现在这个类中,Java的数组访问相对于C/C++来说更安全,因为这个类封装了数组元素的访问(封装在了数组访问指令xaload、xastore中)。

    package io.ilss.main;
    
    /**
    * @author yiren
    * @date 2019-08-20
    **/
    public class NotInitialization {
        public static void main(String[] args) {
            SuperClass[] superClasses = new SuperClass[10];
        }
    }
    
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    常量在编译阶段会存入调用类的常量池中,本质上并没有直接引用到定义常量的类,因此不会触发定义常量类的初始化。这里有个需要说明的地方,如果是在本类如第一处使用调用,是会加载ConstClass这个类的,这里说的是在非本类的中调用这个常量不会初始化ConstClass,这是因为 Java在编译阶段通过常量传播优化,已经将hello world的值存到了NotInitialization类的常量池中 ,NotInitialization对“常量HELLO_WORLD的引用”都变成了对自身常量池的引用,实际上 NotInitialization中不会有任何ConstClass类的符号引用 ,这两个类在编译成Class之后就不存在任何联系了。

    package io.ilss.main;
    
    /**
    * @author yiren
    * @date 2019-08-20
    **/
    public class ConstClass {
        static {
            System.out.println("ConstClass init");
        }
    
        public static final String HELLO_WORLD = "hello world";
        
        public static void main(String[] args) { // 1
            System.out.println(HELLO_WORLD);
        }
    }
    
    
    package io.ilss.main;
    
    import static io.ilss.main.ConstClass.HELLO_WORLD;
    
    /**
    * @author yiren
    * @date 2019-08-20
    **/
    public class NotInitialization {
        public static void main(String[] args) { // 2
            System.out.println(HELLO_WORLD);
        }
    }
    复制代码

    接口和类的加载略有不同,接口也有初始化过程,接口中没有static{}代码块,但是编译器仍会为接口生成 <clinit>() 类构造器,用于初始化接口中定义的成员变量。接口与类真正的区别的是有且仅有的类初始化场景的第三种:当一个类在初始化时,要求其父类全部都已初始化过了,但是在接口中,并不会要求其父接口全部都完成了初始化,只有在真正使用到父接口的时候才会初始化(如去引用接口中定义的常量)

3. 类的加载过程

  • 类的加载全过程:加载、验证、准备、解析和初始化

3.1. 加载

  • 加载阶段JVM需要完成以下三件事情:

    通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。

    将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。

    在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

  • 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流,并没有指明要从哪里获取、怎样获取。可以从:

    zip包中读取,这很常见,最终变成了现在的:JAR、EAR、WAR格式基础

    从网络中获取,以前有个叫Applet(已过时)就是这样做的

    运行时计算生成,见得最多的就是动态代理技术,在 java.lang.reflect.Proxy 中,就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定的接口生成形式为"*$Proxy"的代理类的二进制字节流。

    由其他文件生成:如JSP应用,由JSP生成对应的Class类

    数据库中获取,这种场景相对少。

  • 加载阶段中获取类的二进制字节流的动作是开发人员可控性最强的,加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器来完成,也可以由用户自定义的类加载器去控制字节流的获取方式。(即重写一个类加载器的 loadClass() 方法)

  • 对于数组,有不同,数组类本身不通过类加载器创建,他是由Java虚拟机直接创建的。但是数组类与类加载器仍然关系密切,因为数组的元素类型是由类加载器去创建,一个数组类创建过程遵循以下规则:

    如果数组的组件类型(Component Tyep, 指的是数组中去掉一个维度的类型) 是引用类型 ,那就递归采用本节中定义的类加载过程去加载这个组件类型,数组将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识。

    如果数组的 组件类型不是引用类型 (如int[])JVM将会把数组标记为与引导类加载器关联

    数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致,如果组件类型不是引导类型,那数组类的可见性默认为public。

  • 加载阶段完成后,虚拟机外部的二进制流就按照虚拟机所需的格式存储在方法中,方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义,虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在 内存中实例化一个 java.lang.Class 类的对象 ,这个对象将作为 程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口

    对于HotSpot而言, Class对象比较特殊,它虽然是对象,但是存在了方法区中

  • 加载阶段与连接阶段是交叉进行的,加载阶段未完成可能连接阶段已经开始了,但是这两个阶段的先后顺序是固定的。

3.2. 验证

  • 验证阶段大致上会完成4个阶段的检验动作:文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

  • 文件格式验证: 主要目的是 保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内格式上符合描述一个Java类型信息的要求 。这个阶段的验证是 基于二进制字节流进行 的,只有通过了额这个阶段的验证后,字节流才会进入到内存的方法区中进行存储,后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的,不会再直接操作字节流。

    是否以魔数0xCAFEBABE开头

    主次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内

    常量池的常量中是否有不被支持的常量类型(检查异常tag标志)

    指向常量的各种索引值是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量

    CONSTANT_Utf8_info 型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据

    Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。

    …..

  • 元数据验证: 对字节码描述的信息进行语义分析,以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求;主要目的是堆类的元数据信息进行语义校验,保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

    这个类是否有父类(除 java.lang.Object 之外所有类都应当有父类)

    这个类的父类是否继承了不允许被继承的类(被final修饰)

    如果这个类不是抽象类,是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法

    类的字段、方法是否与父类产生矛盾(如:覆盖了父类的final字段,或者出现不符合规则的方法重载,例如方法参数都一致,但返回值类型却不同等)

    ……

  • 字节码校验: 通过数据流和控制流分析,确定程序语义是合法的、符合逻辑的。这个阶段对类的方法体进行校验分析,保证被叫眼泪的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的时间

    保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作,例如不会出现类似这样的情况:在操作栈放了一个int类型的数据,使用时却按long类型来加载入本地变量表中,

    确保跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。

    保证方法体中的类型转换是有效的。如:子类转父类是安全的,但是把父类赋给子类,甚至是把对象赋给把毫无继承关系的、毫不相干的数据类型,则是危险和不合法的。

  • 符号引用验证: 这个校验发生在符号引用转换成直接引用的时候,在连接的第三个阶段解析中发生。可以看做是堆类自身以外的信息进行匹配性校验。需要校验以下内容:

    符号引用中拖过字符串描述的全限定名是否能找到对应类

    在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段。

    符号引用中的类、字段、方法的访问性(private、protected、public、default)是否可以被当前类访问。

    ……

    符号引用的目的是确保解析动作能正常执行,如果无法通过符号引用验证,
    就会抛出java.lang.IncompatiableClassChangeError异常的子类,
    如:IllegalAccessError、NoSuchFieldError、NoSuchMethodError
    复制代码

3.3. 准备

  • 正式为类变量分配内存以及设置 类变量 (不是实例变量)初始值的阶段,这些变量所用到的内存都将分配在 方法区 。初始值 通常情况 下是该类型的 零值

    public static int value = 123;

    这里的初始值并不是值123,而是值 int的默认值0 ,而把value赋值123的putstatic指令,是需要在类构造器 <clinit>() 方法中,所以赋值会在初始化阶段才会执行。

  • 通常情况之外的 特殊情况 : 如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性,那么在准备阶段 value 就会被初始化为 ConstantValue 如:

    public static final int value = 123; 注意final

    上面的代码,编译时 javac 会将 value 生成 ConstantValue 属性,在准备阶段就会根据 ConstantValue 的设置将 value 设置成123.

3.4. 解析

  • 解析阶段是JVM将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程;符号引用在Class文件中以 CONSTANT_Class_infoCONSTANT_Fieldref_infoCONSTANT_Methodref_info 等类型的常量出现。

    符号引用(Symbolic References): 符号引用以一组符号来描述所描述引用的目标,符号可以是任何形式的字面量,只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与内存布局无关,引用的目标不一定加载到内存中。符号引用的字面量形式明确定义在JVM规范的Class文件格式中。

    直接引用(Direct Reference): 直接引用可以是 直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄 。直接引用是和JVM内存布局相关的,同一个符号引用在不同JVM中翻译出来的直接引用一般会不同。如果有了直接引用,那引用的目标必定已经在内存中存在。

  • JVM规范没有规定解析阶段发生的时间,只要求在执行16个操作符号引用的字节码之前,先对他们所使用的符号引用进行解析。所以JVM可以根据需要选择是在类被类加载器加载时还是符号引用要被使用的时去解析。

  • 对同一个符号引用多次解析是很常见的事情,除 invokedynamic 外,续集你可以对第一次解析的结果进行缓存从而避免重复解析。

    在运行时常量池中记录直接引用,并把常量标识为已解析状态。

  • JVM需要保证在同一个实体中,一个符号引用之前已经被成功解析后,后续的引用解析请求就应当一直成功;同样的如果第一次解析失败,那么其他指令对这个符号的解析请求也应当收到相同的异常。

  • 对于invokedynamic上面规则不成立。

  • 解析动作主要针对: 类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄、调用点限定符 7类 符号引用进行。

    1. 类或接口的解析

    假设当前代码所处的类为D,如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用,那虚拟机完成整个解析的过程需要以下3个步骤:

    1. 如果C是 非数组类型 ,那虚拟机将会把代表N的 全限定名 传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载过程中,由于 元数据验证、字节码验证 的需要,又可能触发其他相关类的加载动作,例如 加载这个类的父类或实现的接口 。一旦这个加载过程出现了任何异常,解析过程就宣告失败。
    1. 如果C是一个 数组类型 ,并且 数组的元素类型为对象 ,也就是N的描述符会是类似 [Ljava/lang/Integer 的形式,那将会 按照第1点的规则加载数组元素类型 。如果N的描述符如前面所假设的形式,需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”,接着 由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象
    1. 如果上面的步骤没有出现任何异常,那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了,但在 解析完成之前还要进行符号引用验证 ,确认 D是否具备对C的访问权限 。如果发现不具备访问权限,将抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常。
    1. 字段解析

    解析一个未被解析过的字段符号引用,首先会对字段表内 class_index 项中索引的 CONSTANT_Class_info 符号引用进行解析,也就是字段 所属的类或接口的符号引用 。如果在解析过程中出现了任何异常,都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功完成,那将这个字段所属的类或接口用C表示,JVM规范要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索。

    1. 如果C本身就包含简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段,则返回这个字段的直接引用,查找结束。
    2. 否则,如果在 C中实现了接口 ,将会 按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口 ,如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段,则返回这个字段的直接引用,查找结束。
    3. 否则,如果 C不是java.lang.Object 的话,将会按照 继承关系从下往上递归搜索其父类 ,如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段,则返回这个字段的直接引用,查找结束。
    4. 否则,查找失败,抛出 java.lang.NoSuchFieldError 异常。

    如果 查找过程成功返回了引用 ,将会对这个字段进行 权限验证 ,如果发现 不具备对字段的访问权限 ,将抛出 java.lang.Ille-galAccessError 异常。

    1. 类方法解析

    先解析出类方法表的 class_index 项中 索引的方法所属的类或接口的符号引用 ,如果解析成功,用C表示这个类,接下来JVM将会按照如下步骤进行后续的类方法搜索。

    1. 类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的,如果在类方法表中发现 class_index 中索引的C是个接口,那就直接抛出 java.lang.IncompatibleClassChangeError 异常。
    2. 如果通过了第1步,在类C中查找是否有 简单名称和描述符都与目标相匹配的方法 ,如果有则返回这个方法的 直接引用 ,查找结束。
    3. 否则,在类C的 父类中递归查找 是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。
    4. 否则,在类C实现的 接口列表及它们的父接口之中 递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果存在匹配的方法,说明类C是一个抽象类,这时查找结束,抛出 java.lang.AbstractMethodError 异常。
    5. 否则,宣告方法查找失败,抛出 java.lang.NoSuchMethodError

    最后,如果查找过程成功返回了直接引用,将会对这个方法进行 权限验证 ,如果发现不具备对此方法的访问权限,将抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常。

    1. 接口方法解析

    接口方法也需要先解析出接口方法表的 class_index 项中索引的方法所属的类或接口的符号引用,如果解析成功,依然用C表示这个接口,接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索。

    1. 与类方法解析不同,如果在接口方法表中发现 class_index 中的索引C是个类而不是接口,那就直接抛出 java.lang.Incom-patibleClassChangeError 异常。
    2. 否则,在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。
    3. 否则,在接口C的父接口中递归查找,直到 java.lang.Object 类(查找范围会 包括Object 类)为止,看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。
    4. 否则,宣告方法查找失败,抛出 java.lang.NoSuchMethodError 异常。

    在接口中,所有方法默认就是public所以不存在访问权限问题,因此接口方法的符号解析应当不会抛出 java.lang.IllegalAccessError

3.5. 初始化

  • 类初始化阶段是类加载过程的最后一步,前面的,除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外,其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段才真正开始执行类中定义的Java代码或者说字节码。

  • 在准备阶段,变量已经赋过一次系统要求的初始值,而在初始化阶段,则根据程序员通过程序定制的主观计划去初始化类变量和其他资源,或者可以从另外一个角度来表达:初始化阶段是执行类构造器 <clinit>() 方法执行过程中一些可能会影响程序运行行为的特点和细节。

    <clinit>() 方法是由编译器自动收集类中的所有 类变量的赋值动作和静态语句块 (static{}块)中的语句合并产生的,编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的, 静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量 ,定义在它 之后的变量,在前面的静态语句块可以赋值,但是不能访问

    public class Test{
        static {
            i = 0;
            System.out.print(i)
        }
        static int i = 1;
    }
    复制代码

    <clinit>() 方法与类的构造函数(或者说实例构造器 <clinit>() 方法)不同,它 不需要显式地调用父类构造器 ,虚拟机会保证在子类的 <clinit>() 方法执行之前,父类的 <clinit>() 方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的 <clinit>() 方法的类肯定是 java.lang.Object

    由于父类的 <clinit>() 方法先执行,也就意味着 父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作

    static class Parent {
        public static int a = 1;
        static {
            a= 2;
        }
    }
    
    static class Sub extends Parent {
        public static int b = a;
    }
    
    
    public static void main(Strintg[] args) {
        System.out.println(Sub.b) // 结果为2
    }
    复制代码

    <clinit>() 方法对于类或接口来说并不是必需的 ,如果一个类中 没有静态语句块 ,也 没有对变量的赋值操作 ,那么编译器可以不为这个类生成 <clinit>() 方法

    接口中不能使用静态语句块,但仍然有变量初始化的赋值操作,因此 接口与类一样都会生成 <clinit>() 方法 。但接口与类不同的是,执行 接口的 <clinit>() 方法不需要先执行父接口的 <clinit>() 方法。只有当父接口中定义的变量使用时,父接口才会初始化 。另外, 接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的 <clinit>() 方法

    虚拟机会保证一个类的 <clinit>() 方法在多线程环境中被正确地加同步 ,如果 多个线程同时去初始化 类, 只会有一个线程去执行这个类的 <clinit>() 方法 ,其他线程都需要 阻塞等待 ,直到活动线程执行 <clinit>() 方法完毕。如果在一个类的 <clinit>() 方法中有耗时很长的操作,就可能造成多个进程阻塞。(需要 注意 的是, 其他线程虽然会被阻塞,但如果执行 <clinit>() 方法的那条线程退出 <clinit>() 方法后,其他线程唤醒之后不会再次进入 <clinit>() 方法 同一个类加载器下,一个类型只会初始化一次 )

    static class DeadLoopClass {
        static {
            // 如果不加上这个if语句,编译器将提示“Initializer does not complete normally”并拒绝编译
        if (true) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
                while (true) {
                }
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Runnable script = () -> {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "start");
                DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();
                System.out.println(Thread.currentThread() + " run over");
            };
    
        Thread thread1 = new Thread(script);
        Thread thread2 = new Thread(script);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
    复制代码
    Thread[Thread-0,5,main]start
    Thread[Thread-1,5,main]start
    Thread[Thread-0,5,main]init DeadLoopClass
    复制代码

4. 类加载器

  • “通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现,以便让程序自己决定如何获取所需的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。
  • 类加载器在类层次划分、OSGi、热部署、代码加密等领域大放异彩,成为了java体系中的一块重要的基石。

4.1 类与类加载器

  • 对于任意一个类,都需要由它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性,每一个类加载器,都拥有一个独立的类名称空间,
  • 比较两个类是否“相等”,是由同一个类加载器加载的前提下才有意义,否则即使两个类是同一个class文件,被同一个虚拟机加载,只要加载他们的类加载器不一样,那这两个类就必定不相等。

    这里的相等,包括代表类的Class对象的 equalsisAssignableFromisInstance 方法返回的结果。也包括 instanceof 做的所属关系判定情况。

4.2. 双亲委派模型

  • 从JVM的角度来讲,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),这个类加载器使用C++语言(HotSpot)实现,是虚拟机自身的一部分。另外一种就是其他的类加载器,这些类加载器都由Java语言实现,独立于虚拟机外部,并且都继承自抽象 java.lang.ClassLoader

  • 从Java开发人员的角度来看,绝大部分Java程序都会使用以下3种系统提供的类加载器。

    1. 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):这个类加载器负责将存放在 <JAVA_HOME>/lib 目录中,并且是虚拟机识别的(名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用,用户编写自定义类加载器时,需要把加载请求委派给引导类加载器,那就直接使用null代替即可。
    2. 扩展类加载器(Extension ClassLoader):这个加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现,他负责加载** <JAVA_HOME>/lib/ext 目录中的类库**,或者 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径中的所有类库 开发者可以直接使用扩展类加载器。
    3. 应用程序类加载器(Application ClassLoader):这个类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现。由于这个类加载器是 ClassLoader 中的 getSystemClassLoader() 方法的返回值,所以一般也称他为 系统类加载器 。他负责 加载用户类路径上所指定的类库 ,开发者可以直接使用这个类加载器,如果 应用程序中没有自定义自己的类加载器,一般情况下这个就是程序中的默认类加载器
  • 双亲委派模型(Parents Delegation Model):双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外,其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。

  • 双亲委派模型的工作过程是:

    1. 如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把这个请求委派给父类加载器去完成。
    2. 每一个层次的类加载器都是如此。因此,所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中。
    3. 只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时(搜索范围中没有找到所需的类),子加载器才会尝试自己去加载。
    JVM—【03】认识Java类的生命周期、类加载的过程、双亲委派机制
  • 使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系,好处就是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。

    如类java.lang.Object,它存放在rt.jar之中,无论哪个类加载器要加载这个类, 最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载 ,因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反,如果没有使用双亲委派模型,由各个类加载器自行去加载的话,如果用户自己编写一个称谓java.lang.Object的类,并放在程序的ClassPath中,那系统中将会出现多个不同的Object类,Java类型体系中最基础的行为也就无法保证,应用程序也将会变得一片混乱。

    双亲委派的实现代码:

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
            throws ClassNotFoundException
        {
            synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
                // 首先,检查类是否已经加载
                Class<?> c = findLoadedClass(name);
                if (c == null) {
                    long t0 = System.nanoTime();
                    try {
                        if (parent != null) {
                            c = parent.loadClass(name, false);
                        } else {
                            c = findBootstrapClassOrNull(name);
                        }
                    } catch (ClassNotFoundException e) {
                        // 如果没有从非空父类加载器中找到类,
                        // 则抛出ClassNotFoundException
                    }
    
                    if (c == null) {
                        // 如果仍然没有找到该类,那么调用findClass来找到该类。
                        long t1 = System.nanoTime();
                        c = findClass(name);
    
                        // 这是定义类装入器;记录数据
                        sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                        sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                        sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                    }
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }
    复制代码

4.3. 破坏双亲委派

  • 双亲委托模型并不是一个强制性的约束,而是Java设计者 推荐 给开发者的类加载器实现方式。在Java的世界中大部分的类加载器都遵循这个模型,但也有例外,双亲委派模型主要出现过3个较大规模的“被破坏”的情况。

  • 由于双亲委派模型在JDK 1.2之后才被引入,为了向前兼容,JDK 1.2之后的 java.lang.ClassLoader 添加了一个新的 protected 方法 findClass() ,在此之前,用户去继承 java.lang.ClassLoader 的唯一目的就是为了重写 loadClass() 方法,因为虚拟机在进行类加载的时候会调用加载器的私有方法 loadClassInternal() ,而这个方法的唯一逻辑就是去调用自己的 loadClass()

    JDK 1.2之后已不提倡用户再去覆盖loadClass()方法,而应当把自己的类加载逻辑写到findClass()方法中,在loadClass()方法的逻辑里如果父类加载失败,则会调用自己的findClass()方法来完成加载,这样就可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的。

  • 双亲委派很好的解决各个类加载器的基础类的统一问题(越基础的类由越上层的加载器进行加载),基础类之所以称为“基础”,是因为他们总是作为被用户代码调用的API,但事实往往没有绝对的完美,如果基础类又要调用回用户的代码该怎么解决。

    一个典型的例子便是JNDI服务,JNDI现在已经是Java的标准服务,他的代码由启动类加载器去加载(在JDK1.3时放进去的rt.jar),但JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找,他需要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的 ClassPath下 的JNDI接口提供者(SPI,Service Provider Interface)的代码,

    为了解决这个问题,Java设计团队引入了个不太优雅的设计: 线程上下文类加载器 (Thread Context ClassLoader)。这个类加载器可以通过 java.lang.Thread 类的 setContextClassLoaser() 方法进行设置,如果 创建线程时还未设置,他将会从父线程中继承一个 ,如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话,那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

    有了线程上下文类加载器,就可以做一些“舞弊”的事情了,JNDI服务使用这个 线程上下文类加载器去加载所需要的SPI代码,也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作 ,这汇总行为实际上就是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器,实际上已经违背了双亲委派模型的一般性原则,但这也是无可奈何的事情。 Java中所有涉及SPI的加载动作基本上都采用这种方式,例如JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等

  • 第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的,“动态性”指的是: 代码热替换 (HotSwap)、 模块热部署 (HotDeployment)等,但对于一些生产系统来说,关机重启一次可能就要被列为生产事故,这种情况下热部署就对软件开发者,尤其是企业软件开发者具有很大的吸引力。

    Sun公司所提出的JSR-294、JSR-277规范在与JCP组织的模块化规范之争中落败给JSR-291(即OSGI R4.2),目前 OSGi已经称为了业界“事实上”的Java模块话标准 ,而OSGi实现模块化热部署的关键则是他自定义的类加载器机制的实现。每一个程序模板(OSGi中称为Bundle)都有一个自己的类加载器,当需要更换一个Bundle时,就把Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。

    在OSGi环境下,类加载器不再是双亲委派模型中的树状结构,而是进一步发展为更加复杂的网状结构,当收到类加载请求时,OSGi将按照下面的顺序进行类搜索:

    1. 将以 java.*开头的类委派给父类加载器 加载。
    2. 否则,将 委派列表名单内的类委派给父类加载器 加载。
    3. 否则,将Import列表中的类委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。
    4. 否则,查找当前Bundle的ClassPath,使用自己的类加载器加载。
    5. 否则,查找类是否在自己的Fragment Bundle中,如果在,则委派给Fragment Bundle的类加载器加载。
    6. 否则,查找Dynamic Import列表的Bundle,委派给对应Bundle的类加载器加载。
    7. 否则,类查找失败。

关于我

  • 坐标杭州,普通本科在读,计算机科学与技术专业,20年毕业,目前处于实习阶段。
  • 主要做Java开发,会写点Golang、Shell。对微服务大数据比较感兴趣,预备做这个方向。
  • 目前处于菜鸟阶段,各位大佬轻喷,小弟正在疯狂学习。
  • 欢迎大家和我交流鸭!!!

原文 

https://juejin.im/post/5d624ff3f265da03ca117813

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