重温系列之JVM：类加载机制

2019-03-28 本文已影响0人内卷星球

面试题

class SingletonA{
    private static SingletonA singleton = new SingletonA();
    public static int a;
    public static int b= 0;

    private SingletonA(){
        a++;
        b++;
    }

    public static SingletonA getInstance(){
        return singleton;
    }

}

class SingletonB{
    public static int a;
    public static int b= 0;
    private static SingletonB singleton = new SingletonB();

    private SingletonB(){
        a++;
        b++;
    }

    public static SingletonB getInstance(){
        return singleton;
    }

}

public static void main(String[] args) {
        SingletonA singleton = SingletonA.getInstance();
        System.out.println("SingletonA a:" + singleton.a);
        System.out.println("SingletonA b:" + singleton.b);

        SingletonB singleton = SingletonB .getInstance();
        System.out.println("SingletonB a:" + singleton.a);
        System.out.println("SingletonB b:" + singleton.b);
    }

运行的结果：

SingletonA a: 1 
SingletonA b: 0 
SingletonB a: 1 
SingletonB b: 1

SingletonA 解析过程：

1、首先执行main中的SingletonA singleton = SingletonA .getInstance(); 
2、类的加载：加载类SingletonA 
3、类的验证 
4、类的准备：为静态变量分配内存，设置默认值。这里为singleton(引用类型)设置为null,a,b（基本数据类型）设置默认值0 
5、类的初始化（按照赋值语句进行修改）： 
执行private static SingletonA singleton = new SingletonA(); 
执行SingletonA 的构造器：a++;b++; 此时a，b均等于1 
执行 
public static int a; 
public static int b= 0; 
此时a=1，b=0

SingletonB 解析过程：

1、首先执行main中的SingletonB singleton = SingletonB.getInstance(); 
2、类的加载：加载类SingletonB
3、类的验证 
4、类的准备：为静态变量分配内存，设置默认值。这里为a,b（基本数据类型）设置默认值0,singleton(引用类型)设置为null, 
5、类的初始化（按照赋值语句进行修改）： 
执行 
public static int value2 = 0; 
此时value2=0(value1不变，依然是0); 
执行 
private static SingletonB singleton = new SingletonB(); 
执行SingletonB的构造器：a++;b++; 
此时a，b均等于1,即为最后结果

含义

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产出是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向我们提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误(LinkageError错误)如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误

加载.class文件的方式：

从本地系统中直接加载
通过网络下载.class文件
从zip，jar等归档文件中加载.class文件
从专有数据库中提取.class文件
将Java源文件动态编译为.class文件

生命周期

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其中类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中，加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的，而解析阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

加载

查找并加载类的二进制数据加载时类加载过程的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。
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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

加载方式：

命令行启动应用时候由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()加载的区别：

Class.forName()：将类的.class文件加载到jvm中之外，还会对类进行解释，执行类中的static块；
ClassLoader.loadClass()：只干一件事情，就是将.class文件加载到jvm中，不会执行static中的内容,只有在newInstance才会去执行static块。
Class.forName(name, initialize, loader)带参函数也可控制是否加载static块。并且只有调用了newInstance()方法采用调用构造函数，创建类的对象。

连接

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，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理；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等等。
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；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外、这个类的父类是否继承了不允许被继承的类等等。
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，如果无法通过符号引用验证，那么将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类...

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

准备

正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配。

这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），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代码中被显式地赋予的值。

假设一个类变量的定义为：
public static int value = 520；
那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是520，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为520的public static指令是在程序编译后，存放于类构造器<clinit>()方法之中的，所以把value赋值为520的动作将在初始化阶段才会执行。

如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，即同时被final和static修饰，那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstValue属性所指定的值。

假设上面的类变量value被定义为：
public static final int value = 524；
编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为524。可以理解为static final常量在编译期就将其结果放入了常量池中。

解析

虚拟机将常量池内的符号引用替换成直接引用的过程。
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7类符号引用进行。

符号引用：以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时可以无歧义的定位到目标即可。
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。

初始化

初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：

声明类变量是指定初始值
使用静态代码块为类变量指定初始值

JVM初始化步骤：

假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类
假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类
假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句

虚拟机规范严格规定了有且只有5中情况（jdk1.7）必须对类进行“初始化”（加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这四条字节码指令时，如果类还没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这四条指令最常见的Java场景是：使用new关键字实例化对象时、读取或设置一个类的静态字段（static）时（被static修饰又被final修饰的，已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）、以及调用一个类的静态方法时。
使用Java.lang.refect包的方法对类进行反射调用时(比如：Class.forName(“com.lzt.Test”))，如果类还没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行初始化，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，虚拟机会先执行该主类。
当使用jdk1.7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，则需要先出触发其初始化。

虚拟机规定只有这五种情况才会触发类的初始化，称为对一个类进行主动引用，除此之外所有引用类的方式都不会触发其初始化，称为被动引用。下面举一些例子来说明被动引用。

通过子类引用父类中的静态字段，这时对子类的引用为被动引用，因此不会初始化子类，只会初始化父类


class Father{
    public static int f= 66;
    static{
        System.out.println("父类初始化");
    }
}
 
class Child extends Father{
    static{
        System.out.println("子类初始化");
    }
}
 
public class StaticTest{
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(Child.f);
    }
}

输出的结果如下：

    父类初始化
    66

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，通过其子类来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。

常量在编译阶段会存入调用它的类的常量池中，本质上没有直接引用到定义该常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化


class Contant{
    public static final String NAME = "常量哦哦哦";
    static{
        System.out.println("初始化Contant类");
    }
}
 
public class Test{
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(Contant.NAME);
    }
}

执行后输出的结果如下：

常量哦哦哦

虽然程序中引用了Contant类的常量NAME，但是在编译阶段将此常量的值“我是常量”存储到了调用它的类Test的常量池中，对常量Contant.NAME的引用实际上转化为了Test类对自身常量池的引用。也就是说，实际上Test的Class文件之中并没有Contant类的符号引用入口，这两个类在编译成Class文件后就不存在任何联系了。

通过数组定义来引用类，不会触发类的初始化

class Contant{
    static{
        System.out.println("初始化Contant");
    }
}
 
public class ArrayTest{
    public static void main(String[] args){
        Contant[] contant= new Contant[6];
    }
}

执行后没有输出任何信息，因此Contant类并没有被初始化。
但这段代码里触发了另一个类的初始化，它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承于java.lang.Object的子类，创建动作由字节码指令newarray触发，很明显，这是一个对数组引用类型的初初始化，而该数组中的元素仅仅包含一个对Contant类的引用，并没有对其进行初始化。如果我们加入对contant数组中各个Contant类元素的实例化代码，便会触发Contant类的初始化，如下：

class Contant{
    static{
        System.out.println("初始化Contant类");
    }
}
 
public class ArrayTest{
    public static void main(String[] args){
        Contant[] contant= new Contant[6];
        for(Contant con:contant)
            con = new Contant();
    }
}

这样便会得到如下输出结果：(这里的new触发了Contant类)
初始化Const类

接口的初始化过程与类初始化过程的不同：
接口也有初始化过程，上面的代码中我们都是用静态语句块来输出初始化信息的，而在接口中不能使用“static{}”语句块，但编译器仍然会为接口生成<clinit>类构造器，用于初始化接口中定义的成员变量（实际上是static final修饰的全局常量）。

二者在初始化时最主要的区别是：当一个类在初始化时，要求其父类全部已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不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（如引用接口中定义的常量），才会初始化该父接口。这点也与类初始化的情况很不同，回过头来看第2个例子就知道，调用类中的static final常量时并不会触发该类的初始化，但是调用接口中的static final常量时便会触发该接口的初始化。

结束生命周期

在如下几种情况下，Java虚拟机将结束生命周期

执行了System.exit()方法
程序正常执行结束
程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

类加载器

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父类加载器并不是通过继承关系来实现的，而是采用组合实现的。

类加载器可以大致划分为以下三类：

启动类加载器：Bootstrap ClassLoader，负责加载存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.开头的类均被Bootstrap ClassLoader加载）。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。
扩展类加载器：Extension ClassLoader，该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载JDK\jre\lib\ext目录中，或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
应用程序类加载器：Application ClassLoader，该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中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默认的类加载器。

应用程序都是由这三种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，我们还可以加入自定义的类加载器。因为JVM自带的ClassLoader只是懂得从本地文件系统加载标准的java class文件，因此如果编写了自己的ClassLoader，便可以做到如下几点：

在执行非置信代码之前，自动验证数字签名。
动态地创建符合用户特定需要的定制化构建类。
从特定的场所取得java class，例如数据库中和网络中。

类加载机制：

全盘负责，当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖的和引用的其他Class也将由该类加载器负责载入，除非显示使用另外一个类加载器来载入
父类委托，先让父类加载器试图加载该类，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类
缓存机制，缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区寻找该Class，只有缓存区不存在，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象，存入缓存区。这就是为什么修改了Class后，必须重启JVM，程序的修改才会生效

双亲委派模型

双亲委派模型的工作流程是：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，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上，因此，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时，即无法完成该加载，子加载器才会尝试自己去加载该类。

双亲委派机制:

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；
若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。

public Class<?> loadClass(String name)throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
}

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException {
        // 首先判断该类型是否已经被加载
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            //如果没有被加载，就委托给父类加载或者委派给启动类加载器加载
            try {
                if (parent != null) {
                     //如果存在父类加载器，就委派给父类加载器加载
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                //如果不存在父类加载器，就检查是否是由启动类加载器加载的类，通过调用本地方法native Class findBootstrapClass(String name)
                    c = findBootstrapClass0(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
             // 如果父类加载器和启动类加载器都不能完成加载任务，才调用自身的加载功能
                c = findClass(name);
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }

双亲委派模型意义：

系统类防止内存中出现多份同样的字节码
保证Java程序安全稳定运行

破坏双亲委派模型

双亲委派模型很好的解决了各个类加载器加载基础类的统一性问题。即越基础的类由越上层的加载器进行加载。若加载的基础类中需要回调用户代码，而这时顶层的类加载器无法识别这些用户代码，怎么办呢？这时就需要破坏双亲委派模型了。
下面介绍两个例子来讲解破坏双亲委派模型的过程：

JNDI破坏双亲委派模型
JNDI是Java标准服务，它的代码由启动类加载器去加载。但是JNDI需要回调独立厂商实现的代码，而类加载器无法识别这些回调代码（SPI）。
为了解决这个问题，引入了一个线程上下文类加载器。可通过Thread.setContextClassLoader()设置。利用线程上下文类加载器去加载所需要的SPI代码，即父类加载器请求子类加载器去完成类加载的过程，而破坏了双亲委派模型。
Spring破坏双亲委派模型

Spring要对用户程序进行组织和管理，而用户程序一般放在WEB-INF目录下，由WebAppClassLoader类加载器加载，而Spring由Common类加载器或Shared类加载器加载。

问：Spring是如何访问WEB-INF下的用户程序呢？
答：使用线程上下文类加载器。 Spring加载类所用的classLoader都是通过Thread.currentThread().getContextClassLoader()获取的。当线程创建时会默认创建一个AppClassLoader类加载器（对应Tomcat中的WebAppclassLoader类加载器）： setContextClassLoader(AppClassLoader)。
利用这个来加载用户程序。即任何一个线程都可通过getContextClassLoader()获取到WebAppclassLoader。