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JVM常见面试题（三）：类加载器，双亲委派模型，类装载的执行过程

2024-09-19 42
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简介： 什么是类加载器，类加载器有哪些；什么是双亲委派模型，JVM为什么采用双亲委派机制，打破双亲委派机制；类装载的执行过程

文章目录

一、类加载器

  • 1.1 什么是类加载器、类加载器作用

  • 1.2 应用场景

  • 1.3 类加载时机

  • 1.4 类加载器分类

    • 1.4.1 概述
    • 1.4.2 JDK8及之前的版本
    • 1.4.3 JDK9之后的类加载器

二、双亲委派模型

  • 2.1 什么是双亲委派模型
  • 2.2 JVM为什么采用双亲委派机制
  • 2.3 打破双亲委派机制
  • 2.4 总结

三、说一下类装载的执行过程

  • 3.1 加载
  • 3.2 验证
  • 3.3 准备
  • 3.4 解析
  • 3.5 初始化
  • 3.6 使用
  • 3.7 小节

四、小节

本文重点介绍JVM面试题——类加载器、双亲委派模型、类装载的执行过程。对于相关面试题，进行重点归纳总结；如果想查看具体详情，可参考 类加载器 超详解：什么是类加载器，类加载器作用及应用场景，类加载时机，类加载的完整过程，类加载器分类、JVM —— 类加载器的分类，双亲委派机制

一、类加载器

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1.1 什么是类加载器、类加载器作用

  • 类加载器（ClassLoader）是Java虚拟机提供给应用程序去实现获取类和接口字节码数据的技术。
  • 类加载器会通过二进制流的方式获取到字节码文件的内容，接下来将获取到的数据交给Java虚拟机，虚拟机会在方法区和堆上生成对应的对象保存字节码信息（类加载器只参与加载过程中的字节码获取并加载到内存这一部分）
  • JVM只会运行二进制文件，类加载器的作用就是将字节码文件加载到JVM中，从而让Java程序能够启动起来。

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作用：负责将.class文件（存储的物理文件）加载在到内存中。通过加载字节码数据放入内存转换成byte[]，接下来调用虚拟机底层方法将byte[]转换成方法区和堆中的数据

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1.2 应用场景

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  • 企业级应用
    • SPI机制
    • 类的热部署
    • Tomcat类的隔离
  • 大量的面试题
    • 什么是类的双亲委派机制
    • 打破类的双亲委派机制
    • 自定义类加载器
  • 解决线上问题
    • 使用Arthas不停机解决线上故障

1.3 类加载时机

简单理解：字节码文件什么时候会被加载到内存中？

有以下几种情况：

  • 创建类的实例（对象）
  • 调用类的类方法
  • 访问类或者接口的类变量，或者为该类变量赋值
  • 使用反射方式来强制创建某个类或接口对应的java.lang.Class对象
  • 初始化某个类的子类
  • 直接使用java.exe命令来运行某个主类

总结而言：用到了就加载，不用不加载

1.4 类加载器分类

1.4.1 概述

类加载器分为两类，一类是Java代码中实现的，一类是Java虚拟机底层源码实现的。

  • 虚拟机底层实现：源代码位于Java虚拟机的源码中，实现语言与虚拟机底层语言一致，比如Hotspot使用C++。主要目的是保证Java程序运行的基础类被正确地加载，比如java.lang.String，Java虚拟机需要确保其可靠性。

  • JDK中默认提供或者自定义（重点关注）：JDK中默认提供了多种处理不同渠道的类加载器，程序员也可以自己根据需求使用Java语言定制。所有Java中实现的类加载器都需要继承ClassLoader这个抽象类。

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类加载器的设计，JDK8和8之后的版本差别较大（JDK9之后，出现了模块化设计）。

1.4.2 JDK8及之前的版本

首先来看JDK8及之前的版本，JDK8及之前的版本中默认的类加载器有如下几种：

  • 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader、C++实现）：加载JAVA_HOME/jre/lib目录下的库，加载核心类，String类。它是JVM的一部分，负责加载Java核心类库，如java.lang包中的类。它是最顶层的类加载器，通常使用C++实现，无法在Java代码中直接获取到。通常表示为null ，并且没有父null(通用且重要)

  • 扩展类加载器（Extension ClassLoader、Java实现）：主要加载JAVA_HOME/jre/lib/ext目录中的类。加载扩展类，拓展Java中比较通用的类，只是通用，不是特别重要，最重要的在启动类加载器加载了。通常位于JRE的lib/ext目录下

  • 应用程序类加载器（Application ClassLoader、Java实现）：也称为系统类加载器（System ClassLoader），加载classPath下的类。加载应用classpath中的类，包括我们自己写的类，还有第三方Jar包的类

  • 自定义类加载器（Java实现）：可以通过继承 java.lang.ClassLoader 类来自定义类加载器，需要重写findClass方法，实现自定义类加载规则。自定义类加载器可以灵活加载类，实现各种特定需求，比如从网络下载类文件、解密等。

    JDK9及之后扩展类加载器（Extension ClassLoader）变成了平台类加载器（Platform ClassLoader）

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各自类加载器的详细介绍 可参考 类加载器 超详解：什么是类加载器，类加载器作用及应用场景，类加载时机，类加载的完整过程，类加载器分类

1.4.3 JDK9之后的类加载器

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由于JDK9引入了module的概念，类加载器在设计上发生了很多变化：

1）启动类加载器使用Java编写，位于jdk.internal.loader.ClassLoaders类中。Java中的BootClassLoader继承自BuiltinClassLoader实现从模块中找到要加载的字节码资源文件。

启动类加载器依然无法通过java代码获取到，返回的仍然是null，保持了统一

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2）扩展类加载器被替换成了平台类加载器（Platform Class Loader）。平台类加载器遵循模块化方式加载字节码文件，所以继承关系从URLClassLoader变成了BuiltinClassLoader，BuiltinCLassLoader实现了从模块中加载字节码文件。平台类加载器的存在更多的是为了与老版本的设计方案兼容，自身没有特殊的逻辑

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二、双亲委派模型

2.1 什么是双亲委派模型

双亲委派机制（Parent Delegation Model）是Java类加载器的一种工作方式，用于保证类的加载安全性和一致性。

加载某一个类，先委托上一级的加载器进行加载，如果上级加载器也有上级，则会继续向上委托，如果该类委托上级没有被加载，子加载器尝试加载该类

具体介绍：如果一个类加载器收到了类加载请求、需要加载某个类时，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行；如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式

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双亲委派机制-问题

  • 重复的类：如果一个类重复出现在三个类加载器的加载位置，应该由谁来加载？ ——启动类加载器加载，根据双亲委派机制，它的优先级是最高的
  • String类能覆盖吗：在自己的项目中去创建一个java.lang.String类，会被加载吗？ ——不能，会返回启动类加载器加载在rt.jar包中的String类

双亲委派具体细节 可参考 JVM —— 类加载器的分类，双亲委派机制

2.2 JVM为什么采用双亲委派机制

（1）通过双亲委派机制可以避免某一个类被重复加载，当父类已经加载后则无需重复加载，保证唯一性。

（2）为了安全，保证类库API不会被修改

package java.lang;
public class String {
   
    public static void main(String[] args) {
   
        System.out.println("demo info");
    }
}

由于是双亲委派的机制，java.lang.String的在启动类加载器得到加载，因为在核心jre库中有其相同名字的类文件，但该类中并没有main方法。这样就能防止恶意篡改核心API库。

此时执行main函数，会出现异常，在类 java.lang.String 中找不到 main 方法

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总的来说，双亲委派机制可以保证类的一致性、安全性和隔离性，避免重复加载，同时也提供了灵活的扩展性，使得类加载器可以根据特定需求进行定制。

而虽然双亲委派机制为JAVA类的加载提供了很好的安全性和便捷性。但是有的时候我们不得不打破双亲委派机制，例如：一个Tomcat容器中可以运行多个WEB应用，而如果这两个应用中出现了同名的A类，那么Tomcat就要保证这两个A类都被加载并且是各自不同的类。如果不打破双亲委派机制，那么WEB1中的A类记载后，WEB2中自己的A类就不会加载成功了，按照双亲委派机制来讲，此时会直接返回WEB1中的A类。此时我们就需要打破双亲委派机制。

2.3 打破双亲委派机制

打破双亲委派机制的三种方式：

  • 自定义类加载器
    • 自定义类加载器并且重写loadClass方法，就可以将双亲委派机制的代码去除
    • Tomcat通过这种方式实现应用之间类隔离
  • 线程上下文加载器
    • 利用上下文类加载器加载类，比如JDBC和JNDI等。SPI机制+线程上下文类加载器
  • Osgi框架的类加载器（了解即可）
    • 历史上Osgi框架实现了一套新的类加载器机制，允许同级之间委托进行类的加载

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双亲委派具体细节 可参考 JVM —— 类加载器的分类，双亲委派机制

2.4 总结

（1）什么是双亲委派模型

加载某一个类，先委托上一级的加载器进行加载，如果上级加载器也有上级，则会继续向上委托，如果该类委托上级没有被加载，子加载器尝试加载该类

  • 当一个类加载器去加载某个类的时候，会自底向上查找是否加载过，如果加载过就直接返回，如果一直到最顶层的类加载器都没有加载，再由顶向下进行加载（自底向上查找是否加载过，再由顶向下进行加载。避免了核心类被应用程序重写并覆盖的问题，提升了安全性）
  • 应用程序类加载器的父类加载器是扩展类加载器，扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。
  • 双亲委派机制的好处有两点：第一是避免恶意代码替换JDK中的核心类库，比如java.lang.String，确保核心类库的完整性和安全性。第二是避免一个类重复地被加载。

（2）JVM为什么采用双亲委派机制？

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  • 通过双亲委派机制可以避免某一个类被重复加载，当父类已经加载后则无需重复加载，保证唯一性。
  • 为了安全，保证类库API不会被修改

三、说一下类装载的执行过程

类从加载到虚拟机中开始、直到卸载为止，它的整个生命周期包括了：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载这7个阶段。其中，验证、准备和解析这三个部分统称为连接（linking）

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3.1 加载

  • 通过类的全名（包名 + 类名），获取类的二进制数据流
  • 将这个类加载到内存中：解析类的二进制数据流为方法区内的数据结构（Java类模型）。
  • 加载完毕创建一个class对象，即创建java.lang.Class类的实例，表示该类型。作为方法区这个类的各种数据的访问入口

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3.2 验证

确保Class文件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安全(文件中的信息是否符合虚拟机规范有没有安全隐患)。

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3.3 准备

负责为类的类变量（被static修饰的变量）分配内存，并设置默认初始化值(初始化静态变量)

  • static变量，分配空间在准备阶段完成（设置默认值），赋值在初始化阶段完成
  • static变量是final的基本类型，以及字符串常量，值已确定，赋值在准备阶段完成
  • static变量是final的引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成

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public class Application {
   
    static int b = 10;
    static final int c = 20;
    static final String d = "hello";
    static final Object obj = new Object();
}

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3.4 解析

将类的二进制数据流中的符号引用替换为直接引用(本类中如果用到了其他类，此时就需要找到对应的类)

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比如方法中调用了其他方法，方法名可以理解为符号引用，而直接引用就是使用指针直接指向方法。

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3.5 初始化

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(静态变量赋值以及初始化其他资源)

  • 对类的静态变量、静态代码块执行初始化操作
  • 如果初始化一个类的时候，其父类尚未初始化，则优先初始化其父类
  • 如果同时包含多个静态变量和静态代码块，则按照自上而下的顺序依次执行

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3.6 使用

JVM开始从入口方法执行用户的程序代码

  • 调用静态类成员信息（比如：静态字段、静态方法）
  • 使用new关键字为其创建对象实例

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3.7 小节

1）当一个类被使用的时候，才会加载到内存

2）类加载的执行过程: 加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载

  • 加载：查找和导入class文件
  • 验证：保证加载类的准确性
  • 准备：为类变量分配内存并设置类变量初始值
  • 解析：把类中的符号引用转换为直接引用
  • 初始化：对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作
  • 使用：JVM 开始从入口方法开始执行用户的程序代码
  • 卸载：当用户程序代码执行完毕后，JVM便开始销毁创建的Class对象。

四、小节

（1）什么是类加载器

JVM只会运行二进制文件，类加载器的作用就是将字节码文件加载到JVM中，从而让Java程序能够启动起来。

（2）类加载器的作用是什么

类加载器（ClassLoader）负责在类加载器过程中的字节码获取并加载到内存这一部分。通过加载字节码数据放入内存转换成byte[]，接下来调用虚拟机底层方法将byte[]转换成方法区和堆中的数据

（3）类加载器有哪些/有几种常见的类加载器

  • 启动类加载器(BootStrap ClassLoader)：加载JAVA_HOME/jre/lib目录下的库，加载核心类

  • 扩展类加载器(Extension ClassLoader)：主要加载JAVA_HOME/jre/lib/ext目录中的类，加载扩展类

  • 应用类加载器(Application ClassLoader)：用于加载classPath下的类

  • 自定义类加载器(Customize ClassLoader)：自定义类继承ClassLoader，重写findClass方法，实现自定义类加载规则。

    JDK9及之后扩展类加载器（Extension ClassLoader）变成了平台类加载器（Platform ClassLoader）

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（4）什么是双亲委派机制

每个Java实现的类加载器中保留了一个成员变量叫“父”（Parent）类加载器。

  • 当一个类加载器去加载某个类的时候，会自底向上查找是否加载过，如果加载过就直接返回，如果一直到最顶层的类加载器都没有加载，再由顶向下进行加载（自底向上查找是否加载过，再由顶向下进行加载。避免了核心类被应用程序重写并覆盖的问题，提升了安全性）
    • 加载某一个类，先委托上一级的加载器进行加载，如果上级加载器也有上级，则会继续向上委托，如果该类委托上级没有被加载，子加载器尝试加载该类
  • 应用程序类加载器的父类加载器是扩展类加载器，扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。
  • 双亲委派机制的好处有两点：第一是避免恶意代码替换JDK中的核心类库，比如java.lang.String，确保核心类库的完整性和安全性。第二是避免一个类重复地被加载。

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（5）JVM为什么采用双亲委派机制

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  • 通过双亲委派机制可以避免某一个类被重复加载，当父类已经加载后则无需重复加载，保证唯一性。
  • 为了安全，保证类库API不会被修改

（6）怎么打破双亲委派机制

  • 重写loadClass方法，不再实现双亲委派机制
  • JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等框架使用了SPI机制+线程上下文类加载器
  • OSGi实现了一整套类加载机制，允许同级类加载器之间互相调用

（7）说一下类装载的执行过程

4-4.png

  • 加载：查找和导入class文件
  • 验证：保证加载类的准确性
  • 准备：为类变量分配内存并设置类变量初始值
  • 解析：把类中的符号引用转换为直接引用
  • 初始化：对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作
  • 使用：JVM 开始从入口方法开始执行用户的程序代码
  • 卸载：当用户程序代码执行完毕后，JVM便开始销毁创建的Class对象。

参考 黑马程序员相关视频及笔记

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Java
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