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前言
本文将由浅及深,介绍 Java 类加载的过程和原理,进一步对类加载器的进行源码分析,完成一个自定义的类加载器。
正文
(一) 类加载器是什么
类加载器简言之,就是用于把 .class 文件中的字节码信息转化为具体 的java.lang.Class 对象的过程的工具。
具体过程:
-
在实际类加载过程中,
JVM会将所有的.class字节码文件中的二进制数据读入内存中,导入运行时数据区的方法区中。 -
当一个类首次被主动加载或被动加载时,类加载器会对此类执行类加载的流程 – 加载、连接(验证、准备、解析)、初始化。
-
如果类加载成功,堆内存中会产生一个新的
Class对象,Class对象封装了类在方法区内的数据结构。
Class 对象的创建过程描述:
(二) 类加载的过程
类加载的过程分为三个步骤(五个阶段) :加载 -> 连接(验证、准备、解析)-> 初始化。
加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的,而解析阶段可以在初始化阶段之后发生,也称为动态绑定或晚期绑定。
类加载的过程描述:
1. 加载
加载:查找并加载类的二进制数据的过程。
加载的过程描述:
-
通过类的全限定名定位
.class文件,并获取其二进制字节流。 -
把字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构。
-
在
Java堆中生成一个此类的java.lang.Class对象,作为方法区中这些数据的访问入口。
2. 连接
连接:包括验证、准备、解析三步。
a) 验证
验证:确保被加载的类的正确性。验证是连接阶段的第一步,用于确保 Class 字节流中的信息是否符合虚拟机的要求。
具体验证形式:
-
文件格式验证:验证字节流是否符合
Class文件格式的规范;例如:是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。 -
元数据验证:对字节码描述的信息进行语义分析(注意:对比
javac编译阶段的语义分析),以保证其描述的信息符合 Java 语言规范的要求;例如:这个类是否有父类,除了java.lang.Object之外。 -
字节码验证: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。
-
符号引用验证:确保解析动作能正确执行。
b) 准备
准备:为类的静态变量分配内存,并将其初始化为默认值。准备过程通常分配一个结构用来存储类信息,这个结构中包含了类中定义的成员变量,方法和接口信息等。
具体行为:
-
这时候进行内存分配的仅包括类变量(
static),而不包括实例变量,实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。 -
这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值(如
0、0L、null、false等),而不是被在Java代码中被显式赋值。
c) 解析
解析:把类中对常量池内的符号引用转换为直接引用。
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、方法句柄和调用点限定符等 7 类符号引用进行。
3. 初始化
初始化:对类静态变量赋予正确的初始值 (注意和连接时的解析过程区分开)。
初始化的目标
-
实现对声明类静态变量时指定的初始值的初始化;
-
实现对使用静态代码块设置的初始值的初始化。
初始化的步骤
-
如果此类没被加载、连接,则先加载、连接此类;
-
如果此类的直接父类还未被初始化,则先初始化其直接父类;
-
如果类中有初始化语句,则按照顺序依次执行初始化语句。
初始化的时机
-
创建类的实例(
new关键字); -
java.lang.reflect包中的方法(如:Class.forName(“xxx”)); -
对类的静态变量进行访问或赋值;
-
访问调用类的静态方法;
-
初始化一个类的子类,父类本身也会被初始化;
-
作为程序的启动入口,包含
main方法(如:SpringBoot入口类)。
(三) 类的主动引用和被动引用
主动引用
主动引用:在类加载阶段,只执行加载、连接操作,不执行初始化操作。
主动引用的几种形式
-
创建类的实例(
new关键字); -
java.lang.reflect包中的方法(如:Class.forName(“xxx”)); -
对类的静态变量进行访问或赋值;
-
访问调用类的静态方法;
-
初始化一个类的子类,父类本身也会被初始化;
-
作为程序的启动入口,包含
main方法(如:SpringBoot入口类)。
主动引用 1 - main 方法在初始类中
代码示例:
-
public class OptimisticReference0 { -
static { -
System.out.println(OptimisticReference0.class.getSimpleName() + " is referred!"); -
} -
public static void main(String[] args) { -
System.out.println(); -
} -
}
运行结果:
OptimisticReference0 is referred!
主动引用 2 – 创建子类会触发父类的初始化
代码示例:
-
public class OptimisticReference1 { -
public static class Parent { -
static { -
System.out.println(Parent.class.getSimpleName() + " is referred!"); -
} -
} -
public static class Child extends Parent { -
static { -
System.out.println(Child.class.getSimpleName() + " is referred!"); -
} -
} -
public static void main(String[] args) { -
new Child(); -
} -
}
运行结果:
Parent is referred! Child is referred!
主动引用 3 – 访问一个类静态变量
代码示例:
-
public class OptimisticReference2 { -
public static class Child { -
protected static String name; -
static { -
System.out.println(Child.class.getSimpleName() + " is referred!"); -
name = "Child"; -
} -
} -
public static void main(String[] args) { -
System.out.println(Child.name); -
} -
}
运行结果:
Child is referred! Child
主动引用 4 – 对类的静态变量进行赋值
代码示例:
-
public class OptimisticReference3 { -
public static class Child { -
protected static String name; -
static { -
System.out.println(Child.class.getSimpleName() + " is referred!"); -
} -
} -
public static void main(String[] args) { -
Child.name = "Child"; -
} -
}
运行结果:
Child is referred!
主动引用 5 – 使用 java.lang.reflect 包提供的反射机制
代码示例:
-
public class OptimisticReference4 { -
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException { -
Class.forName("org.ostenant.jdk8.learning.examples.reference.optimistic.Child"); -
} -
}
运行结果:
Child is referred!
被动引用
被动引用: 在类加载阶段,会执行加载、连接和初始化操作。
被动引用的几种形式:
-
通过子类引用父类的的静态字段,不会导致子类初始化;
-
定义类的数组引用而不赋值,不会触发此类的初始化;
-
访问类定义的常量,不会触发此类的初始化。
被动引用 1 – 子类引用父类的的静态字段,不会导致子类初始化
代码示例:
-
public class NegativeReference0 { -
public static class Parent { -
public static String name = "Parent"; -
static { -
System.out.println(Parent.class.getSimpleName() + " is referred!"); -
} -
} -
public static class Child extends Parent { -
static { -
System.out.println(Child.class.getSimpleName() + " is referred!"); -
} -
} -
public static void main(String[] args) { -
System.out.println(Child.name); -
} -
}
运行结果:
Parent is referred! Parent
被动引用 2 – 定义类的数组引用而不赋值,不会触发此类的初始化
代码示例:
-
public class NegativeReference1 { -
public static class Child { -
static { -
System.out.println(Child.class.getSimpleName() + " is referred!"); -
} -
} -
public static void main(String[] args) { -
Child[] childs = new Child[10]; -
} -
}
运行结果:
无输出
被动引用 3 – 访问类定义的常量,不会触发此类的初始化
示例代码:
-
public class NegativeReference2 { -
public static class Child { -
public static final String name = "Child"; -
static { -
System.out.println(Child.class.getSimpleName() + " is referred!"); -
} -
} -
public static void main(String[] args) { -
System.out.println(Child.name); -
} -
}
运行结果:
Child
(四) 三种类加载器
类加载器:类加载器负责加载程序中的类型(类和接口),并赋予唯一的名字予以标识。
类加载器的组织结构
类加载器的关系
-
BootstrapClassloader是在Java虚拟机启动后初始化的。 -
BootstrapClassloader负责加载ExtClassLoader,并且将ExtClassLoader的父加载器设置为BootstrapClassloader。 -
BootstrapClassloader加载完ExtClassLoader后,就会加载AppClassLoader,并且将AppClassLoader的父加载器指定为ExtClassLoader。
类加载器的作用
| Class Loader | 实现方式 | 具体实现类 | 负责加载的目标 |
|---|---|---|---|
| Bootstrap Loader | C++ | 由 C++ 实现 | %JAVA_HOME%/jre/lib/rt.jar 以及 -Xbootclasspath 参数指定的路径以及中的类库 |
| Extension ClassLoader | Java | sun.misc.Launcher$ExtClassLoader | %JAVA_HOME%/jre/lib/ext 路径下以及 java.ext.dirs 系统变量指定的路径中类库 |
| Application ClassLoader | Java | sun.misc.Launcher$AppClassLoader | Classpath 以及 -classpath、 -cp 指定目录所指定的位置的类或者是 jar 文档,它也是 Java 程序默认的类加载器 |
类加载器的特点
-
层级结构:Java 里的类装载器被组织成了有父子关系的层级结构。Bootstrap 类装载器是所有装载器的父亲。
-
代理模式: 基于层级结构,类的代理可以在装载器之间进行代理。当装载器装载一个类时,首先会检查它在父装载器中是否进行了装载。如果上层装载器已经装载了这个类,这个类会被直接使用。反之,类装载器会请求装载这个类
-
可见性限制:一个子装载器可以查找父装载器中的类,但是一个父装载器不能查找子装载器里的类。
-
不允许卸载:类装载器可以装载一个类但是不可以卸载它,不过可以删除当前的类装载器,然后创建一个新的类装载器装载。
类加载器的隔离问题
每个类装载器都有一个自己的命名空间用来保存已装载的类。当一个类装载器装载一个类时,它会通过保存在命名空间里的类全局限定名( FullyQualifiedClassName) 进行搜索来检测这个类是否已经被加载了。
JVM 及 Dalvik 对类唯一的识别是 ClassLoaderid + PackageName + ClassName,所以一个运行程序中是有可能存在两个包名和类名完全一致的类的。并且如果这两个类不是由一个 ClassLoader 加载,是无法将一个类的实例强转为另外一个类的,这就是 ClassLoader 隔离性。
为了解决类加载器的隔离问题, JVM 引入了双亲委托机制。
(五) 双亲委托机制
核心思想:其一,自底向上检查类是否已加载;其二,自顶向下尝试加载类。
具体加载过程
-
当
AppClassLoader加载一个class时,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。 -
当
ExtClassLoader加载一个class时,它首先也不会自己去尝试加载这个类,而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader去完成。 -
如果
BootStrapClassLoader加载失败(例如在%JAVA_HOME%/jre/lib里未查找到该class),会使用ExtClassLoader来尝试加载; -
如果
ExtClassLoader也加载失败,则会使用AppClassLoader来加载,如果AppClassLoader也加载失败,则会报出异常ClassNotFoundException。
源码分析
ClassLoader.class
loadClass():通过指定类的全限定名称,由类加载器检测、装载、创建并返回该类的 java.lang.Class 对象。
ClassLoader通过loadClass()方法实现了双亲委托机制,用于类的动态加载。
loadClass() 本身是一个递归向上调用的过程。
自底向上检查类是否已加载
-
先通过
findLoadedClass()方法从最底端类加载器开始检查类是否已经加载。 -
如果已经加载,则根据
resolve参数决定是否要执行连接过程,并返回Class对象。 -
如果没有加载,则通过
parent.loadClass()委托其父类加载器执行相同的检查操作(默认不做连接处理)。 -
直到顶级类加载器,即
parent为空时,由findBootstrapClassOrNull()方法尝试到BootstrapClassLoader中检查目标类。
自顶向下尝试加载类
-
如果仍然没有找到目标类,则从
BootstrapClassLoader开始,通过findClass()方法尝试到对应的类目录下去加载目标类。 -
如果加载成功,则根据
resolve参数决定是否要执行连接过程,并返回Class对象。 -
如果加载失败,则由其子类加载器尝试加载,直到最底端类加载器也加载失败,最终抛出
ClassNotFoundException。
findLoadedClass()
查找当前类加载器的缓存中是否已经加载目标类。
findLoadedClass()实际调用了底层的native方法findLoadedClass0()。
findBootstrapClassOrNull()
查找最顶端
Bootstrap类加载器的是否已经加载目标类。同样,findBootstrapClassOrNull()实际调用了底层的native方法findBootstrapClass()。
findClass()
ClassLoader 是 java.lang 包下的抽象类,也是所有类加载器(除了 Bootstrap)的基类, findClass() 是 ClassLoader 对子类提供的加载目标类的抽象方法。
注意:
BootstrapClassLoader并不属于JVM的层次,它不遵守ClassLoader的加载规则,BootstrapclassLoader并没有子类。
defineClass()
defineClass()是ClassLoader向子类提供的方法,它可以将.class文件的二进制数据转换为合法的java.lang.Class对象。
(六) 类的动态加载
类的几种加载方式
-
通过命令行启动时由
JVM初始化加载; -
通过
Class.forName()方法动态加载; -
通过
ClassLoader.loadClass()方法动态加载。
Class.forName()和 ClassLoader.loadClass()
-
Class.forName():把类的
.class文件加载到JVM中,对类进行解释的同时执行类中的static静态代码块; -
ClassLoader.loadClass():只是把.class 文件加载到
JVM中,不会执行static代码块中的内容,只有在newInstance才会去执行。
(七). 对象的初始化
对象的初始化顺序
静态变量/静态代码块 -> 普通代码块 -> 构造函数
父类静态变量和静态代码块(先声明的先执行);
子类静态变量和静态代码块(先声明的先执行);
父类普通成员变量和普通代码块(先声明的先执行);
父类的构造函数;
子类普通成员变量和普通代码块(先声明的先执行);
子类的构造函数。
对象的初始化示例
Parent.java
Children.java
Tester.java
测试结果:
测试结果表明: JVM 在创建对象时,遵守以上对象的初始化顺序。
(八) 自定义类加载器
编写自己的类加载器
在源码分析阶段,我们已经解读了如何实现自定义类加载器,现在我们开始怼自己的类加载器。
Step 1:定义待加载的目标类
Parent.java和Children.java。
Parent.java
-
package org.ostenant.jdk8.learning.examples.classloader.custom; -
public class Parent { -
protected static String CLASS_NAME; -
protected static String CLASS_LOADER_NAME; -
protected String instanceID; -
// 1.先执行静态变量和静态代码块(只在类加载期间执行一次) -
static { -
CLASS_NAME = Parent.class.getName(); -
CLASS_LOADER_NAME = Parent.class.getClassLoader().toString(); -
System.out.println("Step a: " + CLASS_NAME + " is loaded by " + CLASS_LOADER_NAME); -
} -
// 2.然后执行变量和普通代码块(每次创建实例都会执行) -
{ -
instanceID = this.toString(); -
System.out.println("Step c: Parent instance is created: " + CLASS_LOADER_NAME + " -> " + instanceID); -
} -
// 3.然后执行构造方法 -
public Parent() { -
System.out.println("Step d: Parent instance:" + instanceID + ", constructor is invoked"); -
} -
public void say() { -
System.out.println("My first class loader..."); -
} -
}
Children.java
-
package org.ostenant.jdk8.learning.examples.classloader.custom; -
public class Children extends Parent { -
static { -
CLASS_NAME = Children.class.getName(); -
CLASS_LOADER_NAME = Children.class.getClassLoader().toString(); -
System.out.println("Step b: " + CLASS_NAME + " is loaded by " + CLASS_LOADER_NAME); -
} -
{ -
instanceID = this.toString(); -
System.out.println("Step e: Children instance is created: " + CLASS_LOADER_NAME + " -> " + instanceID); -
} -
public Children() { -
System.out.println("Step f: Children instance:" + instanceID + ", constructor is invoked"); -
} -
public void say() { -
System.out.println("My first class loader..."); -
} -
}
Step 2:实现自定义类加载器
CustomClassLoader
CustomClassLoader.java
-
public class CustomClassLoader extends ClassLoader { -
private String classPath; -
public CustomClassLoader(String classPath) { -
this.classPath = classPath; -
} -
@Override -
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException { -
Class c = findLoadedClass(name); // 可省略 -
if (c == null) { -
byte[] data = loadClassData(name); -
if (data == null) { -
throw new ClassNotFoundException(); -
} -
return defineClass(name, data, 0, data.length); -
} -
return null; -
} -
protected byte[] loadClassData(String name) { -
try { -
// package -> file folder -
name = name.replace(".", "//"); -
FileInputStream fis = new FileInputStream(new File(classPath + "//" + name + ".class")); -
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); -
int len = -1; -
byte[] b = new byte[2048]; -
while ((len = fis.read(b)) != -1) { -
baos.write(b, 0, len); -
} -
fis.close(); -
return baos.toByteArray(); -
} catch (IOException e) { -
e.printStackTrace(); -
} -
return null; -
} -
}
Step 3:测试类加载器的加载过程
CustomerClassLoaderTester.java
测试程序启动时,逐一拷贝并加载待加载的目标类源文件。
-
private static final String CHILDREN_SOURCE_CODE_NAME = SOURCE_CODE_LOCATION + "Children.java"; -
private static final String PARENT_SOURCE_CODE_NAME = SOURCE_CODE_LOCATION + "Parent.java"; -
private static final List<String> SOURCE_CODE = Arrays.asList(CHILDREN_SOURCE_CODE_NAME, PARENT_SOURCE_CODE_NAME); -
static { -
SOURCE_CODE.stream().map(path -> new File(path)) -
// 路径转文件对象 -
.filter(f -> !f.isDirectory()) -
// 文件遍历 -
.forEach(f -> { -
// 拷贝后源代码 -
File targetFile = copySourceFile(f); -
// 编译源代码 -
compileSourceFile(targetFile); -
}); -
}
拷贝单一源文件到自定义类加载器的类加载目录。
-
protected static File copySourceFile(File f) { -
BufferedReader reader = null; -
BufferedWriter writer = null; -
try { -
reader = new BufferedReader(new FileReader(f)); -
// package ...; -
String firstLine = reader.readLine(); -
StringTokenizer tokenizer = new StringTokenizer(firstLine, " "); -
String packageName = ""; -
while (tokenizer.hasMoreElements()) { -
String e = tokenizer.nextToken(); -
if (e.contains("package")) { -
continue; -
} else { -
packageName = e.trim().substring(0, e.trim().length() - 1); -
} -
} -
// package -> path -
String packagePath = packageName.replace(".", "//"); -
// java file path -
String targetFileLocation = TARGET_CODE_LOCALTION + "//" + packagePath + "//"; -
String sourceFilePath = f.getPath(); -
String fileName = sourceFilePath.substring(sourceFilePath.lastIndexOf("\\") + 1); -
File targetFile = new File(targetFileLocation, fileName); -
File targetFileLocationDir = new File(targetFileLocation); -
if (!targetFileLocationDir.exists()) { -
targetFileLocationDir.mkdirs(); -
} -
// writer -
writer = new BufferedWriter(new FileWriter(targetFile)); -
// 写入第一行 -
writer.write(firstLine); -
writer.newLine(); -
writer.newLine(); -
String input = ""; -
while ((input = reader.readLine()) != null) { -
writer.write(input); -
writer.newLine(); -
} -
return targetFile; -
} catch (FileNotFoundException e) { -
e.printStackTrace(); -
} catch (IOException e) { -
e.printStackTrace(); -
} finally { -
try { -
reader.close(); -
writer.close(); -
} catch (IOException e) { -
e.printStackTrace(); -
} -
} -
return null; -
}
对拷贝后的 .java 源文件执行手动编译,在同级目录下生成 .class 文件。
-
protected static void compileSourceFile(File f) { -
try { -
JavaCompiler javaCompiler = ToolProvider.getSystemJavaCompiler(); -
StandardJavaFileManager standardFileManager = javaCompiler.getStandardFileManager(null, null, null); -
Iterable extends JavaFileObject> javaFileObjects = standardFileManager.getJavaFileObjects(f); -
// 执行编译任务 -
CompilationTask task = javaCompiler.getTask(null, standardFileManager, null, null, null, javaFileObjects); -
task.call(); -
standardFileManager.close(); -
} catch (Exception e) { -
e.printStackTrace(); -
} -
}
通过自定义类加载器加载 Children 的 java.lang.Class 对象,然后用反射机制创建 Children 的实例对象。
-
@Test -
public void test() throws Exception { -
// 创建自定义类加载器 -
CustomClassLoader classLoader = new CustomClassLoader(TARGET_CODE_LOCALTION); // E://myclassloader//classpath -
// 动态加载class文件到内存中(无连接) -
Class c = classLoader.loadClass("org.ostenant.jdk8.learning.examples.classloader.custom.Children"); -
// 通过反射拿到所有的方法 -
Method[] declaredMethods = c.getDeclaredMethods(); -
for (Method method : declaredMethods) { -
if ("say".equals(method.getName())) { -
// 通过反射拿到children对象 -
Object children = c.newInstance(); -
// 调用children的say()方法 -
method.invoke(children); -
break; -
} -
} -
}
测试编写的类加载器
(一). 测试场景一
-
保留
static代码块,把目标类Children.java和Parent.java拷贝到类加载的目录,然后进行手动编译。 -
保留测试项目目录中的目标类
Children.java和Parent.java。
测试结果输出:
测试结果分析:
我们成功创建了
Children对象,并通过反射调用了它的say()方法。 然而查看控制台日志,可以发现类加载使用的仍然是AppClassLoader,CustomClassLoader并没有生效。
查看 CustomClassLoader 的类加载目录:
类目录下有我们拷贝并编译的
Parent和Chidren文件。
分析原因:
由于项目空间中的
Parent.java和Children.java,在拷贝后并没有移除。导致AppClassLoader优先在其Classpath下面找到并成功加载了目标类。
(二). 测试场景二
-
注释掉
static代码块(类目录下有已编译的目标类.class文件)。 -
移除测试项目目录中的目标类
Children.java和Parent.java。
测试结果输出:
测试结果分析:
我们成功通过自定义类加载器加载了目标类。创建了
Children对象,并通过反射调用了它的say()方法。
至此,我们自己的一个简单的类加载器就完成了!
参考书籍
周志明,深入理解 Java 虚拟机:JVM 高级特性与最佳实践,机械工业出版社
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