【JAVA】聊聊类加载过程

简介: Java 通过引入字节码和 JVM 机制,提供了强大的跨平台能力,理解 Java 的类加载机制是深入 Java 开发的必要条件。

前言

Java 通过引入字节码和 JVM 机制,提供了强大的跨平台能力,理解 Java 的类加载机制是深入 Java 开发的必要条件。

本篇博文的重点是,请介绍类加载过程,什么是双亲委派模型?
 

概述

一般来说,我们把 Java 的类加载过程分为三个主要步骤:加载、链接、初始化,具体行为在 Java 虚拟机规范里有非常详细的定义。

首先是加载阶段(Loading),它是 Java 将字节码数据从不同的数据源读取到 JVM 中,并映射为 JVM 认可的数据结构(Class 对象),这里的数据源可能是各种各样的形态,如 jar 文件、class 文件,甚至是网络数据源等;如果输入数据不是 ClassFile 的结构,则会抛出 ClassFormatError。

加载阶段是用户参与的阶段,我们可以自定义类加载器,去实现自己的类加载过程。

第二阶段是链接(Linking),这是核心的步骤,简单说是把原始的类定义信息平滑地转化入 JVM 运行的过程中。这里可进一步细分为三个步骤:

  • 验证(Verification),这是虚拟机安全的重要保障,JVM 需要核验字节信息是符合 Java 虚拟机规范的,否则就被认为是 VerifyError,这样就防止了恶意信息或者不合规的信息危害 JVM 的运行,验证阶段有可能触发更多 class 的加载。
  • 准备(Preparation),创建类或接口中的静态变量,并初始化静态变量的初始值。但这里的“初始化”和下面的显式初始化阶段是有区别的,侧重点在于分配所需要的内存空间,不会去执行更进一步的 JVM 指令。
  • 解析(Resolution),在这一步会将常量池中的符号引用(symbolic reference)替换为直接引用。在 Java 虚拟机规范中,详细介绍了类、接口、方法和字段等各个方面的解析。

最后是初始化阶段(initialization),这一步真正去执行类初始化的代码逻辑,包括静态字段赋值的动作,以及执行类定义中的静态初始化块内的逻辑,编译器在编译阶段就会把这部分逻辑整理好,父类型的初始化逻辑优先于当前类型的逻辑。

再来谈谈双亲委派模型,简单说就是当类加载器(Class-Loader)试图加载某个类型的时候,除非父加载器找不到相应类型,否则尽量将这个任务代理给当前加载器的父加载器去做。使用委派模型的目的是避免重复加载 Java 类型。
 

正文

首先,从架构角度,一起来看看 Java 8 以前各种类加载器的结构,下面是三种 Oracle JDK 内建的类加载器。

  • 启动类加载器(Bootstrap Class-Loader),加载 jre/lib 下面的 jar 文件,如 rt.jar。它是个超级公民,即使是在开启了 Security Manager 的时候,JDK 仍赋予了它加载的程序 AllPermission。

对于做底层开发的工程师,有的时候可能不得不去试图修改 JDK 的基础代码,也就是通常意义上的核心类库,我们可以使用下面的命令行参数。

# 指定新的bootclasspath,替换java.*包的内部实现
java -Xbootclasspath:<your_boot_classpath> your_App
 
# a意味着append,将指定目录添加到bootclasspath后面
java -Xbootclasspath/a:<your_dir> your_App
 
# p意味着prepend,将指定目录添加到bootclasspath前面
java -Xbootclasspath/p:<your_dir> your_App

用法其实很易懂,例如,使用最常见的 “/p”,既然是前置,就有机会替换个别基础类的实现。

我们一般可以使用下面方法获取父加载器,但是在通常的 JDK/JRE 实现中,扩展类加载器 getParent() 都只能返回 null。

public final ClassLoader getParent()
  • 扩展类加载器(Extension or Ext Class-Loader),负责加载我们放到 jre/lib/ext/ 目录下面的 jar 包,这就是所谓的 extension 机制。该目录也可以通过设置 “java.ext.dirs” 来覆盖。

    java -Djava.ext.dirs=your_ext_dir HelloWorld
  • 应用类加载器(Application or App Class-Loader),就是加载我们最熟悉的 classpath 的内容。这里有一个容易混淆的概念,系统(System)类加载器,通常来说,其默认就是 JDK 内建的应用类加载器,但是它同样是可能修改的,比如:

    java -Djava.system.class.loader=com.yourcorp.YourClassLoader HelloWorld

如果我们指定了这个参数,JDK 内建的应用类加载器就会成为定制加载器的父亲,这种方式通常用在类似需要改变双亲委派模式的场景。

image.png

至于前面被问到的双亲委派模型,参考这个结构图更容易理解。试想,如果不同类加载器都自己加载需要的某个类型,那么就会出现多次重复加载,完全是种浪费。

通常类加载机制有三个基本特征:

  • 双亲委派模型。但不是所有类加载都遵守这个模型,有的时候,启动类加载器所加载的类型,是可能要加载用户代码的,比如 JDK 内部的 ServiceProvider/ServiceLoader机制,用户可以在标准 API 框架上,提供自己的实现,JDK 也需要提供些默认的参考实现。 例如,Java 中 JNDI、JDBC、文件系统、Cipher 等很多方面,都是利用的这种机制,这种情况就不会用双亲委派模型去加载,而是利用所谓的上下文加载器。
  • 可见性,子类加载器可以访问父加载器加载的类型,但是反过来是不允许的,不然,因为缺少必要的隔离,我们就没有办法利用类加载器去实现容器的逻辑。
  • 单一性,由于父加载器的类型对于子加载器是可见的,所以父加载器中加载过的类型,就不会在子加载器中重复加载。但是注意,类加载器“邻居”间,同一类型仍然可以被加载多次,因为互相并不可见。

 

后记

以上就是 【JAVA】聊聊类加载过程 的所有内容了;

梳理了一下类加载的过程,进行了相对全面的总结,希望对你有所帮助。

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