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Java虚拟机

Java虚拟机17——类加载机制

简介:虚拟机把描述类的数据从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。

虚拟机把描述类的数据从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。

与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同,在Java语言里面,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,这种策略虽然会令类加载时稍微增加一些性能开销,但是会为Java应用程序提供高度的灵活性,Java里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。

类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,它的整个生命周期包括:加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接(Linking),这7个阶段的发生顺序如图下图所示:

1.类的生命周期.png

关于这五个阶段,有以下需要注意的几点:

  1. 加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的,类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始;
  2. 在某些情况下,解析阶段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(也称为动态绑定或晚期绑定)。
  3. 这些阶段一般都是互相交叉地混合式进行的,在一个阶段执行的过程中通常会调用、激活另外一个阶段。

1. 类加载的过程

下面将分别介绍类加载的五个阶段:加载、验证、准备、解析和初始化。

1.1. 加载

加载是类加载(Class Loading)过程的一个阶段,在这个阶段,虚拟机需要完成以下3件事情:

  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静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
  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的访问入口。

在第一件事情中,定义了可以通过类的全限定名从二进制流中获取类的定义,因此这个二进制流可以是多种类型,例如:

  1. JAR、EAR、WAR包等ZIP包。
  2. 网络流,典型的应用就是Applet。
  3. 运行时计算生成,如动态代理技术,在java.lang.reflect.Proxy中,就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流。
  4. 由其他文件生成,典型场景是JSP应用,即由JSP文件生成对应的Class类。
  5. 从数据库中读取,如有些中间件服务器(如SAP Netweaver)可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。

加载阶段中获取非数组类的二进制字节流的动作是高度可控,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完成,开发人员可以通过定义类加载器来控制字节流的获取方式(即重写一个类加载器的loadClass()方法)。

数组类本身不通过类加载器创建,它是由Java虚拟机直接创建的。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(Element Type,指的是数组去掉所有维度的类型)最终是要靠类加载器去创建,一个数组类创建过程就遵循以下规则:

  1. 如果数组的组件类型(Component Type,指的是数组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(一个类必须与类加载器一起确定唯一性)。
  2. 如果数组的组件类型不是引用类型(例如int[]数组),Java虚拟机会把数组标记为与引导类加载器关联。
  3. 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用类型,那数组类的可见性将默认为public。

加载阶段完成后,虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中,方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义。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。

注:对于HotSpot虚拟机而言,Class对象比较特殊,它虽然是对象,但存放在方法区里面。

加载阶段与连接阶段的部分内容(如一部分字节码文件格式验证动作)是交叉进行的,加载阶段尚未完成,连接阶段可能已经开始,但这些夹在加载阶段之中进行的动作,仍然属于连接阶段的内容,这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

1.2. 验证

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。

验证阶段是非常重要的,这个阶段是否严谨,直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击,从执行性能的角度上讲,验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中又占了相当大的一部分。从整体上看,验证阶段大致上会完成下面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。

1.2.1. 文件格式验证

文件格式验证主要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。这一阶段可能包括下面这些验证点:

  1. 是否以魔数0xCAFEBABE开头。
  2. 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。
  3. 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型(检查常量tag标志)。
  4. 指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量。
  5. CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。
  6. 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。

文件格式验证阶段的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后,字节流才会进入内存的方法区中进行存储,所以后面的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

1.2.2. 元数据验证

元数据验证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,这个阶段可能包括的验证点如下:

  1. 这个类是否有父类(除了java.lang.Object之外,所有的类都应当有父类)。
  2. 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类(被final修饰的类)。
  3. 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。
  4. 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾(例如覆盖了父类的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)。

第二阶段的主要目的是对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。

1.2.3. 字节码验证

字节码验证阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段,主要目的是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。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后,这个阶段将对类的方法体进行校验分析,保证方法体在运行时不会做出有害举动,例如:

  1. 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。
  2. 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
  3. 保证方法体中的类型转换是有效的。

如果一个类方法体的字节码没有通过字节码验证,那肯定是有问题的;但如果一个方法体通过了字节码验证,也不能说明其一定就是安全的。即使字节码验证之中进行了大量的检查,也不能保证这一点。

由于数据流验证的高复杂性,虚拟机设计团队为了避免过多的时间消耗在字节码验证阶段,在JDK 1.6之后的Javac编译器和Java虚拟机中给方法体的Code属性的属性表中增加了一项StackMapTable属性,用于描述了方法体中所有的基本块(Basic Block,按照控制流拆分的代码块)开始时本地变量表和操作栈应有的状态,在字节码验证期间,就不需要根据程序推导这些状态的合法性,只需要检查StackMapTable属性中的记录是否合法即可。这样将字节码验证的类型推导转变为类型检查从而节省一些时间。

在JDK 1.6的HotSpot虚拟机中提供了-XX:-UseSplitVerifier选项来关闭这项优化,或者使用参数-XX:+FailOverToOldVerifier要求在类型校验失败的时候退回到旧的类型推导方式进行校验。而在JDK 1.7之后,对于主版本号大于50的Class文件,使用类型检查来完成数据流分析校验则是唯一的选择,不允许再退回到类型推导的校验方式。

1.2.4. 符号引用验证

符号引用验证阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候,这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外(常量池中的各种符号引用)的信息进行匹配性校验,通常需要校验下列内容:

  1. 符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。
  2. 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。
  3. 符号引用中的类、字段、方法的访问性(private、protected、public、default)是否可被当前类访问。

符号引用验证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,那么将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类,如java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

对于虚拟机的类加载机制来说,验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要(因为对程序运行期没有影响)的阶段。如果所运行的全部代码(包括自己编写的及第三方包中的代码)都已经被反复使用和验证过,那么在实施阶段就可以考虑使用-Xverify:none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。

1.3. 准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段,这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下,首先,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,实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。其次,这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值,假设一个类变量的定义为public static int value = 123,那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123,因为这时候尚未开始执行任何Java方法,而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后,存放于类构造器<clinit>()方法之中,所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。下表列出了Java中所有基本数据类型的零值:

数据类型 零值
int 0
long 0L
short (short)0
char ‘\u0000’
byte (byte)0
boolean false
float 0.0f
double 0.0d
reference null

假设上面类变量value的定义被修饰为final,则value会变为常量,此时value的字段属性表中存在ConstantValue属性,在准备阶段变量value会被初始化为ConstantValue属性所指定的值,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123。

1.4. 解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程,符号引用在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_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。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关,引用的目标并不一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同,但是它们能接受的符号引用必须都是一致的,因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。
  • 直接引用(Direct References):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。直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的,同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用,那引用的目标必定已经在内存中存在。

虚拟机规范之中并未规定解析阶段发生的具体时间,只要求了在执行anewarraycheckcastgetfieldgetstaticinstanceofinvokedynamicinvokeinterfaceinvokespecialinvokestaticinvokevirtualldcldc_wmultianewarraynewputfieldputstatic这16个用于操作符号引用的字节码指令之前,先对它们所使用的符号引用进行解析。所以虚拟机实现可以根据需要来判断到底是在类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析,还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它。

invokedynamic指令以外,虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存(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)从而避免解析动作重复进行。无论是否真正执行了多次解析动作,虚拟机需要保证的是在同一个实体中,如果一个符号引用之前已经被成功解析过,那么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了,那么其他指令对这个符号的解析请求也应该收到相同的异常。

invokedynamic指令的目的本来就是用于动态语言支持(目前仅使用Java语言不会生成这条字节码指令),它所对应的引用称为“动态调用点限定符”(Dynamic Call Site Specifier),这里“动态”的含义就是必须等到程序实际运行到这条指令的时候,解析动作才能进行。相对的,其余可触发解析的指令都是“静态”的,可以在刚刚完成加载阶段,还没有开始执行代码时就进行解析。

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,分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info这7种常量类型。下面先介绍前4种。

1.4.1. 类或接口的解析

假设当前类为D,需要将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,主要有三个步骤:

  1. 如果C是非数组类型,D的类加载器会根据代表N的全限定名去加载C,加载过程中可能会触发其他相关类的加载。
  2. 如果C是数组类型,且数组的元素类型为非基本类型,那么首先会按第一步中的方式加载数组元素类型,然后生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。
  3. 如果前两步没有出现任何异常,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。

1.4.2. 字段的解析

从前面我们分析的Class字节码文件的结构可知,字段的表结构如下:

常量 项目 类型 描述
CONSTANT_Fieldref_info tag u1 9
index u2 指向声明字段的类或者接口描述符CONSTANT_Class_info的索引项
index u2 指向字段描述符CONSTANT_NameAndType_info的索引项

要解析一个未被解析过的字段符号引用,首先将会对字段表的第一个index索引项指向的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析,也就是字段所在的类或接口的符号引用。如果在解析这个类或接口符号引用的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,虚拟机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。
  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。
  5. 如果有一个同名字段同时出现在C的接口和父类中,或者同时在自己或父类的多个接口中出现,那编译器将可能拒绝编译。
  6. 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.IllegalAccessError异常。

1.4.3. 类方法的解析

从前面我们分析的Class字节码文件的结构可知,类方法的表结构如下:

常量 项目 类型 描述
CONSTANT_Methodref_info tag u1 10
index u2 指向声明方法的类描述符CONSTANT_Class_info的索引项
index u2 指向名称及类型描述符CONSTANT_NameAndType_info的索引项

类方法解析的第一个步骤与字段解析一样,也需要先解析出类方法表的第一个index索引项指向的方法所属的类或接口的符号引用,如果解析成功,我们依然用C表示这个类,接下来虚拟机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第一个index索引项指向的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。
  6. 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。

1.4.4. 接口方法的解析

从前面我们分析的Class字节码文件的结构可知,类方法的表结构如下:

常量 项目 类型 描述
CONSTANT_Methodref_info tag u1 10
index u2 指向声明方法或接口的类描述符CONSTANT_Class_info的索引项
index u2 指向名称及类型描述符CONSTANT_NameAndType_info的索引项

接口方法也需要先解析出接口方法表中指向声明方法的类或接口描述符的符号引用,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声明方法的类或接口描述符中的索引C是个类而不是接口,那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError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。

由于接口中的所有方法默认都是public的,所以不存在访问权限的问题,因此接口方法的符号解析应当不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

1.5. 初始化

初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。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制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。

<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{}代码块)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,静态代码块中只能访问到定义在它之前的变量,定义在它之后的变量,静态代码块中可以对其赋值,但是不能访问,如下代码:

  • public class Test {
  • static {
  • i = 0; // 给变量赋值可以正常编译通过
  • System.out.print(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用”
  • }
  • static int i = 1;
  • }

<clinit>()方法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,在如下代码中,字段B的值将会是2而不是1:

  • 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(String[] args){
  • System.out.println(Sub.B); // A在父类Parent已被初始化,因此初始化B时会将A初始化后的值2赋值给B
  • }
  • 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。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锁、同步,如果多个线程同时去初始化一个类,那么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,就可能造成多个线程阻塞,在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。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。

2. 类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的“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,以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

2.1. 类与类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作,但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。对于任意一个类,都需要由加载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”,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。这里所指的“相等”,包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果,也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。如果没有注意到类加载器的影响,在某些情况下可能会产生具有迷惑性的结果。

2.2. 双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来讲,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++语言实现,是虚拟机自身的一部分;另一种就是所有其他的类加载器,这些类加载器都由Java语言实现,独立于虚拟机外部,并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

从Java开发人员的角度来看,类加载器还可以划分得更细致一些,绝大部分Java程序都会使用到以下3种系统提供的类加载器:

  1. 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):前面已经介绍过,这个类将器负责将存放在$JAVA_HOME/lib目录中的,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的,并且是虚拟机识别的(仅按照文件名识别,如rt.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用,用户在编写自定义类加载器时,如果需要把加载请求委派给引导类加载器,那直接使用null代替即可,如下代码是java.lang.ClassLoader.getClassLoader()方法的代码片段:
  • // Returns the class's class loader, or null if none.
  • static ClassLoader getClassLoader(Class<?> caller) {
  • // This can be null if the VM is requesting it
  • if (caller == null) {
  • return null;
  • }
  • // Circumvent security check since this is package-private
  • return caller.getClassLoader0();
  • }
  1. 扩展类加载器(Extension ClassLoader):这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,它负责加载$JAVA_HOME/lib/ext目录中的,或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库,开发者可以直接使用扩展类加载器。
  2. 应用程序类加载器(Application ClassLoader):这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值,所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径(ClassPath)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。

我们的应用程序都是由这3种类加载器互相配合进行加载的,如果有必要,还可以加入自己定义的类加载器。这些类加载器之间的关系一般如下图所示:

2.类加载器的双亲委派模型.png

上图中展示的类加载器之间的这种层次关系,称为类加载器的双亲委派模型(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。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承(Inheritance)的关系来实现,而是都使用组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。

双亲委派模型的工作过程是: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,而是把这个请求委派给父类加载器去完成,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加载请求(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加载。

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系,有一个显而易见的好处就是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。例如类java.lang.Object,它存放在rt.jar之中,无论哪一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,如果用户自己编写了一个称为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。如果读者有兴趣的话,可以尝试去编写一个与rt.jar类库中已有类重名的Java类,将会发现可以正常编译,但永远无法被加载运行。

双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作很重要,但它的实现却非常简单,实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中,如下代码所示:

  • protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
  • synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
  • // First, check if the class has already been loaded
  • // 检查类是否已经被加载
  • Class<?> c = findLoadedClass(name);
  • if (c == null) {
  • // c为null,说明类还未被加载
  • long t0 = System.nanoTime();
  • try {
  • if (parent != null) {
  • // 如果父加载器不为空,则尝试使用父类加载
  • c = parent.loadClass(name, false);
  • } else {
  • // 否则使用当前加载器加载
  • 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();
  • // 父类加载器无法加载,则调用自己的findClass()方法来进行加载
  • 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;
  • }
  • }

该部分代码逻辑非常清晰,先检查是否已经被加载过,若没有加载则调用父加载器的loadClass()方法,若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载失败,抛出ClassNotFoundException异常后,再调用自己的findClass()方法进行加载。

图书信息

深入理解Java虚拟机(第2版)

作者:周志明

出版社:机械工业出版社

出版日期:

页数:433

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