108. 你真的知道 Java 类是如何被加载的吗？（一）
一：前言
最近给一个非Java方向的朋友讲了下双亲委派模型，朋友让我写篇文章深度研究下JVM的ClassLoader，我确实也好久没写JVM相关的文章了，有点手痒痒，涂了皮炎平也抑制不住。
我在向朋友解释的时候是这么说的：双亲委派模型中，ClassLoader在加载类的时候，会先交由它的父ClassLoader加载，只有当父ClassLoader加载失败的情况下，才会尝试自己去加载。这样可以实现部分类的复用，又可以实现部分类的隔离，因为不同ClassLoader加载的类是互相隔离的。
不过贸然的向别人解释双亲委派模型是不妥的，如果在不了解JVM的类加载机制的情况下，又如何能很好的理解“不同ClassLoader加载的类是互相隔离的”这句话呢？所以为了理解双亲委派，最好的方式，就是先了解下ClassLoader的加载流程。
二：Java 类是如何被加载的
2.1：何时加载类
我们首先要清楚的是，Java类何时会被加载？
《深入理解Java虚拟机》给出的答案是：
遇到new、getstatic、putstatic 等指令时。
对类进行反射调用的时候。
初始化某个类的子类的时候。
虚拟机启动时会先加载设置的程序主类。
使用JDK 1.7 的动态语言支持的时候。
其实要我说，最通俗易懂的答案就是：当运行过程中需要这个类的时候。
那么我们不妨就从如何加载类开始说起。
2.2：怎么加载类
利用ClassLoader加载类很简单，直接调用ClassLoder的loadClass（）方法即可，我相信大家都会，但是还是要举个栗子：
public class Test { public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException { Test.class.getClassLoader().loadClass("com.wangxiandeng.test.Dog"); } }
上面这段代码便实现了让ClassLoader去加载 “com.wangxiandeng.test.Dog” 这个类，是不是 so easy。但是JDK 提供的 API 只是冰山一角，看似很简单的一个调用，其实隐藏了非常多的细节，我这个人吧，最喜欢做的就是去揭开 API 的封装，一探究竟。
2.3：JVM 是怎么加载类的
JVM 默认用于加载用户程序的ClassLoader为AppClassLoader，不过无论是什么ClassLoader，它的根父类都是java.lang.ClassLoader。在上面那个例子中，loadClass（）方法最终会调用到ClassLoader.definClass1（）中，这是一个 Native 方法。
static native Class<?> defineClass1(ClassLoader loader, String name, byte[] b, int off, int len, ProtectionDomain pd, String source);
看到 Native 方法莫心慌，不要急，打开OpenJDK源码，我等继续走马观花便是！
definClass1（）对应的 JNI 方法为 Java_java_lang_ClassLoader_defineClass1（）
JNIEXPORT jclass JNICALL Java_java_lang_ClassLoader_defineClass1(JNIEnv *env, jclass cls, jobject loader, jstring name, jbyteArray data, jint offset, jint length, jobject pd, jstring source) { ...... result = JVM_DefineClassWithSource(env, utfName, loader, body, length, pd, utfSource); ...... return result; }
Java_java_lang_ClassLoader_defineClass1 主要是调用了JVM_DefineClassWithSource（）加载类，跟着源码往下走，会发现最终调用的是 jvm.cpp 中的 jvm_define_class_common（）方法。
static jclass jvm_define_class_common(JNIEnv *env, const char *name, jobject loader, const jbyte *buf, jsize len, jobject pd, const char *source, TRAPS) { ...... ClassFileStream st((u1*)buf, len, source, ClassFileStream::verify); Handle class_loader (THREAD, JNIHandles::resolve(loader)); if (UsePerfData) { is_lock_held_by_thread(class_loader, ClassLoader::sync_JVMDefineClassLockFreeCounter(), THREAD); } Handle protection_domain (THREAD, JNIHandles::resolve(pd)); Klass* k = SystemDictionary::resolve_from_stream(class_name, class_loader, protection_domain, &st, CHECK_NULL); ...... return (jclass) JNIHandles::make_local(env, k->java_mirror()); }
上面这段逻辑主要就是利用 ClassFileStream 将要加载的class文件转成文件流，然后调用SystemDictionary::resolve_from_stream（），生成 Class 在 JVM 中的代表：Klass。
对于Klass，大家可能不太熟悉，但是在这里必须得了解下。说白了，它就是JVM 用来定义一个Java Class 的数据结构。不过Klass只是一个基类，Java Class 真正的数据结构定义在 InstanceKlass中。
class InstanceKlass: public Klass { protected: Annotations* _annotations; ...... ConstantPool* _constants; ...... Array<jushort>* _inner_classes; ...... Array<Method*>* _methods; Array<Method*>* _default_methods; ...... Array<u2>* _fields; }
可见 InstanceKlass 中记录了一个 Java 类的所有属性，包括注解、方法、字段、内部类、常量池等信息。这些信息本来被记录在Class文件中，所以说，InstanceKlass就是一个Java Class 文件被加载到内存后的形式。
再回到上面的类加载流程中，这里调用了 SystemDictionary::resolve_from_stream（），将 Class 文件加载成内存中的 Klass。
resolve_from_stream（） 便是重中之重！主要逻辑有下面几步：
1：判断是否允许并行加载类，并根据判断结果进行加锁。
bool DoObjectLock = true; if (is_parallelCapable(class_loader)) { DoObjectLock = false; } ClassLoaderData* loader_data = register_loader(class_loader, CHECK_NULL); Handle lockObject = compute_loader_lock_object(class_loader, THREAD); check_loader_lock_contention(lockObject, THREAD); ObjectLocker ol(lockObject, THREAD, DoObjectLock);
如果允许并行加载，则不会对ClassLoader进行加锁，只对SystemDictionary加锁。否则，便会利用 ObjectLocker 对ClassLoader 加锁，保证同一个ClassLoader在同一时刻只能加载一个类。ObjectLocker 会在其构造函数中获取锁，并在析构函数中释放锁。
允许并行加载的好处便是精细化了锁粒度，这样可以在同一时刻加载多个Class文件。
2：解析文件流，生成 InstanceKlass
InstanceKlass* k = NULL; k = KlassFactory::create_from_stream(st, class_name, loader_data, protection_domain, NULL, // host_klass NULL, // cp_patches CHECK_NULL);
3：利用SystemDictionary注册生成的 Klass。
SystemDictionary 是用来帮助保存 ClassLoader 加载过的类信息的。准确点说，SystemDictionary并不是一个容器，真正用来保存类信息的容器是 Dictionary，每个ClassLoaderData 中都保存着一个私有的 Dictionary，而 SystemDictionary 只是一个拥有很多静态方法的工具类而已。
我们来看看注册的代码：
if (is_parallelCapable(class_loader)) { InstanceKlass* defined_k = find_or_define_instance_class(h_name, class_loader, k, THREAD); if (!HAS_PENDING_EXCEPTION && defined_k != k) { // If a parallel capable class loader already defined this class, register 'k' for cleanup. assert(defined_k != NULL, "Should have a klass if there's no exception"); loader_data->add_to_deallocate_list(k); k = defined_k; } } else { define_instance_class(k, THREAD); }
如果允许并行加载，那么前面就不会对ClassLoader加锁，所以在同一时刻，可能对同一Class文件加载了多次。但是同一Class在同一ClassLoader中必须保持唯一性，所以这里会先利用 SystemDictionary 查询 ClassLoader 是否已经加载过相同 Class。
如果已经加载过，那么就将当前线程刚刚加载的InstanceKlass加入待回收列表，并将 InstanceKlass* k 重新指向利用SystemDictionary查询到的 InstanceKlass。
如果没有查询到，那么就将刚刚加载的 InstanceKlass 注册到 ClassLoader的 Dictionary 中 中。
虽然并行加载不会锁住ClassLoader，但是会在注册 InstanceKlass 时对 SystemDictionary 加锁，所以不需要担心InstanceKlass 在注册时的并发操作。
如果禁止了并行加载，那么直接利用SystemDictionary将 InstanceKlass 注册到 ClassLoader的 Dictionary 中即可。
resolve_from_stream（）的主要流程就是上面三步，很明显，最重要的是第二步，从文件流生成InstanceKlass。
生成InstanceKlass 调用的是 KlassFactory::create_from_stream（）方法，它的主要逻辑就是下面这段代码。
ClassFileParser parser(stream, name, loader_data, protection_domain, host_klass, cp_patches, ClassFileParser::BROADCAST, // publicity level CHECK_NULL); InstanceKlass* result = parser.create_instance_klass(old_stream != stream, CHECK_NULL);
原来 ClassFileParser 才是真正的主角啊！它才是将Class文件升华成InstanceKlass的幕后大佬！更多面试题，欢迎关注公众号 Java面试题精选
2.4：不得不说的ClassFileParser
ClassFileParser 加载Class文件的入口便是 create_instance_klass（）。顾名思义，用来创建InstanceKlass的。
create_instance_klass（）主要就干了两件事：
(1)：为 InstanceKlass 分配内存
InstanceKlass* const ik = InstanceKlass::allocate_instance_klass(*this, CHECK_NULL);
(2)：分析Class文件，填充 InstanceKlass 内存区域
fill_instance_klass(ik, changed_by_loadhook, CHECK_NULL);
我们先来说道说道第一件事，为 InstanceKlass 分配内存。
内存分配代码如下：
const int size = InstanceKlass::size(parser.vtable_size(), parser.itable_size(), nonstatic_oop_map_size(parser.total_oop_map_count()), parser.is_interface(), parser.is_anonymous(), should_store_fingerprint(parser.is_anonymous())); ClassLoaderData* loader_data = parser.loader_data(); InstanceKlass* ik; ik = new (loader_data, size, THREAD) InstanceKlass(parser, InstanceKlass::_misc_kind_other);
这里首先计算了InstanceKlass在内存中的大小，要知道，这个大小在Class 文件编译后就被确定了。
然后便 new 了一个新的 InstanceKlass 对象。这里并不是简单的在堆上分配内存，要注意的是Klass 对 new 操作符进行了重载：
void* Klass::operator new(size_t size, ClassLoaderData* loader_data, size_t word_size, TRAPS) throw() { return Metaspace::allocate(loader_data, word_size, MetaspaceObj::ClassType, THREAD); }
分配 InstanceKlass 的时候调用了 Metaspace::allocate（）：
MetaspaceObj::Type type, TRAPS) { ...... MetadataType mdtype = (type == MetaspaceObj::ClassType) ? ClassType : NonClassType; ...... MetaWord* result = loader_data->metaspace_non_null()->allocate(word_size, mdtype); ...... return result; }
由此可见，InstanceKlass 是分配在 ClassLoader的 Metaspace（元空间） 的方法区中。从 JDK8 开始，HotSpot 就没有了永久代，类都分配在 Metaspace 中。Metaspace 和永久代不一样，采用的是 Native Memory，永久代由于受限于 MaxPermSize，所以当内存不够时会内存溢出。
分配完 InstanceKlass 内存后，便要着手第二件事，分析Class文件，填充 InstanceKlass 内存区域。
ClassFileParser 在构造的时候就会开始分析Class文件，所以fill_instance_klass（）中只需要填充即可。填充结束后，还会调用 java_lang_Class::create_mirror（）创建 InstanceKlass 在Java 层的 Class 对象。
void ClassFileParser::fill_instance_klass(InstanceKlass* ik, bool changed_by_loadhook, TRAPS) { ..... ik->set_class_loader_data(_loader_data); ik->set_nonstatic_field_size(_field_info->nonstatic_field_size); ik->set_has_nonstatic_fields(_field_info->has_nonstatic_fields); ik->set_static_oop_field_count(_fac->count[STATIC_OOP]); ik->set_name(_class_name); ...... java_lang_Class::create_mirror(ik, Handle(THREAD, _loader_data->class_loader()), module_handle, _protection_domain, CHECK); }
到这儿，Class文件已经完成了华丽的转身，由冷冰冰的二进制文件，变成了内存中充满生命力的InstanceKlass。更多面试题，欢迎关注公众号 Java面试题精选
