Java类加载模型

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Java类加载模型

类加载时机

一个类型从被夹在到虚拟机内存中开始，到卸载到出内存位置，它的整个生命周期将会经历加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分统称为连接。这几个顺序如下所示：

类加载过程

类加载过程

加载

在加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事：

  1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流
  2. 将这个字节流所代表的的静态存储结构转化为方法取得运行时数据结构
  3. 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访问入口

对于数组类型而言，情况就有所不同，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型最终还是要考类加载器来完成加载，一个数组类C创建过程遵循以下规则：

  • 如果数组的组件类型（Component Type，子的事数组去掉一个维度的类型，注意和前面的元素类型区分开来）是引用类型，那就递归去加载这个组件类型，数组C将被标识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上。
  • 如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组的组件类型为int），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联
  • 数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致，如果组件类型不是引用类型，它的数组类的可访问性将默认为public，可被所有的类和接口访问到。

验证

验证的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当做代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段大致会完成下面四个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

文件格式验证

主要是验证字节流是否符合Class文件格式规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证之后，这段字节流才被允许进入Java虚拟机内部的方法区进行存储，所以后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构上进行的，不会再直接读取、操作字节流了。

元数据验证

这个阶段是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。

字节码验证

这个阶段主要目的是通过数据流分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。这个阶段是对类的方法体（Class文件中的Code属性）进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。

符号引用验证

符号引用验证的主要目的是确保解析行为能正常执行，如果无法通过符号引用验证，Java虚拟机将会抛出一个Java.lang.IncompatibleClassChangeError的子类异常，比如：java.lllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError等。

准备

准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。

解析

解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

  • 符号引用（Symbolic Reference）：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符合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。

  • 直接引用（Direct Reference）：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。

初始化

《Java虚拟机规范》严格规定了有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”：

  • 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要触发其初始化阶段。
    • 使用new关键字实例化对象的时候
    • 读取或设置一个类型的静态字段（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
    • 调用一个类型的静态方法的时候。
  • 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化
  • 当初始化类的时候，如果发现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，用户需要制定一个执行的主类，虚拟机会先初始化这个主类
  • 当使用JDK 7新加入的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有初始化，则需要先触发其初始化。
  • 当一个接口定义了JDK 8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

初始化阶段是执行类构造器<cinit>()方法的过程。<cinit>()方法并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物。

  • <cinit>()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 {}}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中可以赋值，但不能访问。

类加载器

类加载器的作用就是通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流。对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确定其在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。

换句话说就是：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个Java虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

下面看个例子（例子来源于《深入理解Java虚拟机》）

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public class ClassLoaderTest {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {

			@Override
			public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
			
				try {
					String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
					InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
					if (null == is) {
						return super.loadClass(name);
					}
					
					byte[] b = new byte[is.available()];
					is.read(b);
					return defineClass(name, b, 0, b.length);
				} catch(IOException e) {
					throw new ClassNotFoundException(name);
				}
			
			}
		};
		
		Object obj = myLoader.loadClass("com.test.ClassLoaderTest").newInstance();
		System.out.println(obj.getClass());
		System.out.println(obj instanceof com.test.ClassLoaderTest);
	}
}

运行结果如下图：

类加载器测试结果

从上述结果看，这个类确实是com.test.ClassLoaderTest实例化出来的，但是第二行用instanceOf的检验结果却是false。这是Java虚拟机中同时存在了两个ClassLoaderTest类，一个是由虚拟机的应用程序类加载器所加载的，另外一个是由自定义的类加载器加载的。

双亲委派模型

绝大多数Java应用会用到以下三个系统提供的类加载器进行加载：

  • 启动来加载器（Bootstrap Class Loader）：这个类加载器是使用C++语言实现的，是虚拟机的一部分，它负责加载存放在\lib目录，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的，而且是Java虚拟机能够识别的（按照文件名识别，如rt.jva 、tools.java，名字不符合的类库即使放在lib目录页不会被加载）类库加载到虚拟机的内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器去处理，那直接使用null代替即可。
  • 扩展类加载器（Extension Class Loader）：这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader中以Java代码的形式实现的。它负责加载\lib\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变脸所指定的路径中所有的类库。
  • 应用程序类加载器（Application Class Loader)：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。它负责加载用户类路径上所有的类库。如果应用程序没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中的默认加载器。

这些类加载器之间的层次关系被称为类加载器的“双亲委派模型”。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有自己的父类加载器。不过这里类加载器之间的斧子关系一般不是以集成的关系来实现的，而是通常使用组合关系来复用父加载器的代码。

类加载器的双亲委派模型

双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器受到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这类，而是把这个请求委派个父类加载器去完成，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最顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载。
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中类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层级关系。

破坏双亲委派模型

比如JDBC，它的相关类是由启动类加载器进行加载的，但是它的实现类，是由各个数据库厂商自己定义实现的，启动类加载器是不可能识别到这些类的。

为了解决这个问题，Java引入了线程上下文类加载器。这个类加载器可以通过java.lang.Thead类的setContextClassLoader()方法进行设置，如果创建线程程时还未设置，它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，这个线程类加载器默认就是应用程序类加载器。

JDBC服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需的SPI服务代码，这时一种父类加载器去请求子类加载器完成类加载的行为，这种行为实际上是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器。

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