Java类加载机制

Java类加载机制

类加载的时机

  • 隐式加载 new 创建类的实例,
  • 显式加载：loaderClass,forName等
  • 访问类的静态变量，或者为静态变量赋值
  • 调用类的静态方法
  • 使用反射方式创建某个类或者接口对象的Class对象。
  • 初始化某个类的子类
  • 直接使用java.exe命令来运行某个主类

类加载的过程

我们编写的java文件都是保存着业务逻辑代码。java编译器将 .java 文件编译成扩展名为 .class 的文件。.class 文件中保存着java转换后，虚拟机将要执行的指令。当需要某个类的时候，java虚拟机会加载 .class 文件，并创建对应的class对象，将class文件加载到虚拟机的内存，这个过程被称为类的加载。

在这里插入图片描述

加载

类加载过程的一个阶段，ClassLoader通过一个类的完全限定名查找此类字节码文件，并利用字节码文件创建一个class对象。

验证

目的在于确保class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，不会危害虚拟机自身的安全，主要包括四种验证：文件格式的验证，元数据的验证，字节码验证，符号引用验证。

准备

为类变量（static修饰的字段变量）分配内存并且设置该类变量的初始值，（如static int i = 5 这里只是将 i 赋值为0，在初始化的阶段再把 i 赋值为5)，这里不包含final修饰的static ，因为final在编译的时候就已经分配了。这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，实例变量会随着对象分配到Java堆中。

解析

这里主要的任务是把常量池中的符号引用替换成直接引用

初始化

这里是类记载的最后阶段，如果该类具有父类就进行对父类进行初始化，执行其静态初始化器（静态代码块）和静态初始化成员变量。（前面已经对static 初始化了默认值，这里我们对它进行赋值，成员变量也将被初始化）

类记载器的任务是根据类的全限定名来读取此类的二进制字节流到 JVM 中，然后转换成一个与目标类对象的java.lang.Class 对象的实例，在java 虚拟机提供三种类加载器，引导类加载器，扩展类加载器，系统类加载器。

forName和loaderClass区别

  • Class.forName()得到的class是已经初始化完成的。
  • Classloader.loaderClass得到的class是还没有链接（验证，准备，解析三个过程被称为链接）的。

双亲委派

双亲委派模式要求除了顶层的启动类加载器之外，其余的类加载器都应该有自己的父类加载器，但是在双亲委派模式中父子关系采取的并不是继承的关系，而是采用组合关系来复用父类加载器的相关代码。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException {
    // 增加同步锁，防止多个线程加载同一类
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // First, check if the class has already been loaded
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else { // ExtClassLoader没有继承BootStrapClassLoader
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }

            if (c == null) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.
                long t1 = System.nanoTime();
                // AppClassLoader去我们项目中查找是否有这个文件，如有加载进来
                // 没有就到用户自定义ClassLoader中加载。如果没有就抛出异常
                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;
    }
}

工作原理

如果一个类收到了类加载的请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类加载器去执行，如果父类加载器还存在父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最后到达顶层的启动类加载器，如果弗雷能够完成类的加载任务，就会成功返回，倘若父类加载器无法完成任务，子类加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。就是每个儿子都很懒，遇到类加载的活都给它爸爸干，直到爸爸说我也做不来的时候，儿子才会想办法自己去加载。

优势

采用双亲委派模式的好处就是Java类随着它的类加载器一起具备一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关系可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类的时候，就没有必要子类加载器（ClassLoader）再加载一次。其次是考虑到安全因素，Java核心API中定义类型不会被随意替换，假设通过网路传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委派的的模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字类，发现该类已经被加载，并不会重新加载网络传递过来的java.lang.Integer.而之际返回已经加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。可能你会想，如果我们在calsspath路径下自定义一个名为java.lang.SingInteger?该类并不存在java.lang中，经过双亲委托模式，传递到启动类加载器中，由于父类加载器路径下并没有该类，所以不会加载，将反向委托给子类加载器，最终会通过系统类加载器加载该类，但是这样做是不允许的，因为java.lang是核心的API包，需要访问权限，强制加载将会报出如下异常。

java.lang.SecurityException:Prohibited package name: java.lang
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类与类加载器

  • 在JVM中标识两个Class对象，是否是同一个对象存在的两个必要条件
  • 类的完整类名必须一致，包括包名。
  • 加载这个ClassLoader（指ClassLoader实例对象）必须相同。

双亲委派模式的破坏者：线程上下文类加载器

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在Java应用中存在着很多服务提供者接口（Service Provider Interface，SPI），这些接口允许第三方为它们提供实现，如常见的 SPI 有 JDBC、JNDI等，这些 SPI 的接口属于 Java 核心库，一般存在rt.jar包中，由Bootstrap类加载器加载，而 SPI 的第三方实现代码则是作为Java应用所依赖的 jar 包被存放在classpath路径下，由于SPI接口中的代码经常需要加载具体的第三方实现类并调用其相关方法，但SPI的核心接口类是由引导类加载器来加载的，而Bootstrap类加载器无法直接加载SPI的实现类，同时由于双亲委派模式的存在，Bootstrap类加载器也无法反向委托AppClassLoader加载器SPI的实现类。在这种情况下，我们就需要一种特殊的类加载器来加载第三方的类库，而线程上下文类加载器就是很好的选择。

线程上下文类加载器（contextClassLoader）是从 JDK 1.2 开始引入的，我们可以通过java.lang.Thread类中的getContextClassLoader()和 setContextClassLoader(ClassLoader cl)方法来获取和设置线程的上下文类加载器。如果没有手动设置上下文类加载器，线程将继承其父线程的上下文类加载器，初始线程的上下文类加载器是系统类加载器（AppClassLoader）,在线程中运行的代码可以通过此类加载器来加载类和资源，如下图所示，以jdbc.jar加载为例

对象的创建过程

当虚拟机遇到一个new的指令的时候，首先去检查这个指令是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并检查这个符号引用代表的类是否已经被加载，解析和初始化过。如果没有则执行相应初始化的过程。在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存，对象所需要的内存的大小在类加载完成后便可以完成确定。内存分配完成以后，虚拟机需要将分配的内存空间都初始化为零值，保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋予初值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型对应的零值。再接下来对象需要进行必要的设置，这个对象是哪个类的实例，如何才能找到这个类的元数据信息，如何找到对象的哈希码，对象的GC分带年龄。

  • Java堆如果是规整的采取：指针碰撞，
  • Java堆如果不是规整的话：空闲列表，在内存中直接分配一个足够大的内存空间划分给对象。
  • 对象创建是非常平凡的，在多线程的程序中会产生线程安全的问题，所以解决这个问题有两种方式
  • 使用CSA配上失败重试的方式来保证原子性
  • 内存分配动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在java堆中预先分配一个小块的内存成为本地分配缓冲，TLAB,哪个线程需要分配内存就在哪个线程的TALB上分配，只有在TALB用完之后才会重新分配新的TALB的时候才会同步锁定。

对象的内存布局

对象的内存布局一般分为三个部分：对象头，示例数据，对齐填充

对象头中存放着对象自身的运行时数据，如哈希码，GC分带年龄，锁状态标志，偏向线程ID，线程持有的锁。

对象头另外一部分还有类型指针，对象指向它类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。如果对象是一个java数组，那在对象头中还必须用一块用于记录数组长度的数据。因为虚拟机可以通过普通java对象的元数据信息确定java对象的大小。

对象的访问定位方式

句柄和直接指针

    • 如果使用句柄的话，要在java堆中开辟一个句柄池，用来存放句柄地址，句柄地址中包含对象实例数据（堆）和类型数据（方法区）各自的地址信息。
    • 是用句柄的好处就是引用中存储的是稳定的句柄地址，当被移动时只会修改句柄中的实例数据指针，而引用地址不会被改变。
    • 使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次访问指针定位的时间开销，引用直接指向存放实例数据的堆内存，在该内存中存放着指向方法区的类型数据地址。
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