Java高併發學習筆記（三）：類加載

1 來源

• 來源：《Java高併發編程詳解 多線程與架構設計》，汪文君著
• 章節：第9、10、十一章

本文這三章的筆記整理。

2 類加載簡介

類加載的過程能夠簡單分爲三個階段：

• 加載階段：主要負責查找而且加載類的二進制數據文件
• 鏈接階段：能夠細分爲驗證、準備、解析三個階段，驗證就是確保類文件的正確性，準備就是爲類的靜態變量分配內存，而且爲其初始化默認值，解析就是把類中的符號引用轉換爲直接引用
• 初始化階段：爲類的靜態變量賦予正確的初始值

3 主動使用與被動使用

JVM規範規定了每一個類或接口在首次主動使用的時候都須要進行初始化，規定了如下六種主動使用類的場景：

• 經過new關鍵字會致使類的初始化
• 訪問類的靜態變量
• 訪問類的靜態方法
• 對某個類進行反射操做
• 初始化子類會致使父類初始化
• 啓動類（就是包含main()的類）也會初始化

除了以上六種狀況外，其他的都叫被動使用，不會致使類的加載和初始化，好比引用類的靜態常量不會致使類的初始化。

4 類加載詳解

前面也說了類加載能夠簡單分爲三個階段：

• 加載階段
• 鏈接階段
• 初始化階段

下面先來看一下加載階段。

4.1 加載階段

加載階段就是將class文件中的二進制數據讀取到內存之中，而後將該字節流表明的靜態存儲結構轉換爲方法區中運行時數據結構，而且在堆中生成一個該類的java.lang.Class對象，做爲訪問方法區數據結構的入口。

類加載的最終產物就是堆內存中的class對象，JVM規範中指出類加載是經過一個全限定名去獲取二進制數據流，來源包括：

• class文件：這是最多見的格式，就是加載javac編譯後的字節碼文件
• 運行時動態生成：好比ASM能夠動態生成，或者能夠經過動態代理java.lang.Proxy生成等
• 經過網絡獲取：好比RMI
• 讀取壓縮文件：好比JAR、WAR包
• 從數據庫讀取：好比讀取MySQL中的BLOB字段類型的數據
• 運行時生成class文件而且動態加載：好比Thrift、Avro等序列化框架，將某個schema生成若干個class文件並進行加載

類加載階段結束後，JVM會將這些二進制字節流按照JVM定義的格式存放在方法區中，造成特定的數據結構後再在堆內存中實例化一個java.lang.Class對象。

4.2 鏈接階段

該階段能夠分爲三個小階段：

• 驗證
• 準備
• 解析

須要注意的是這三個小階段其實不是順序進行的，而是交叉着進行的，也就是解析的時候其實也會有驗證的過程。

4.2.1 驗證

驗證是爲了確保字節流所包含的內容符合JVM規範，而且不會出現危害JVM自身安全的代碼，當字節流信息不符合要求的時候，會拋出VerifyError這樣的異常或其子異常，驗證的信息包括：

• 文件格式
• 元數據
• 字節碼
• 符號引用

4.2.1.1 驗證文件格式

包括：

• 魔數（0xCAFEBABE）
• 主次版本號
• 是否存在殘缺或附加信息
• 常量池常量類型是否支持
• 常量池引用是否指向不存在常量或不支持類型常量
• 其餘

4.2.1.2 驗證元數據

元數據驗證實際上是進行語義分析的過程，語義分析是爲了確保字節流符合JVM規範要求，包括：

• 檢查某個類是否存在父類，是否繼承某個接口，這些父類或接口是否合法，或是否存在
• 檢查是否繼承了final的類
• 檢查抽象類，檢查是否實現了父類的抽象方法或接口方法
• 檢查重載，好比相同的方法名稱、相同的參數可是返回類型不一樣，這是不容許的

4.2.1.3 驗證字節碼

字節碼驗證主要是驗證程序的控制流程，包括：

• 保證當前線程在程序計數器中的指令不會跳轉到不合法的字節碼指令中去
• 保證類型的轉換是合法的
• 保證任意時刻虛擬機棧中的操做棧類型與指令代碼都能正確被執行
• 其餘驗證

4.2.1.4 驗證符號引用

驗證符號引用轉換爲直接引用的合法性，保證解析動做的順利執行，包括：

• 經過符號引用描述的字符串全限定名稱是否可以順利找到相關的類
• 符號引用中的類、字段、方法是否對當前類可見
• 其餘

4.2.2 準備

通過驗證後，就開始了準備階段，這階段比較簡單，就是對對象的靜態變量分配內存而且設置初始值，類變量的內存會被分配到方法區中。設置初始值就是爲相應的類變量給定一個相關類型在沒有被設置時的默認值，好比Int的初始值爲0，引用的初始值爲null。

4.2.3 解析

解析就是在常量池中尋找類、字段、接口和方法的符號引用，而且將這些符號引用替換成直接引用的過程。解析主要針對類接口、字段、類方法和接口方法進行的，包括：

• 類接口解析
• 字段解析
• 類方法解析
• 接口方法解析

4.3 初始化階段

初始化階段主要就是執行<clinit>方法的過程，該方法是編譯階段生成的，也就是說包含在字節碼文件中，該方法包含了全部類變量的賦值動做和靜態語句塊的執行代碼。另外一方面，<clinit>與構造方法不一樣，不須要顯式調用父類構造器，虛擬機會保證父類的<clinit>方法最早執行。

還須要注意的是<clinit>只能被虛擬機執行，虛擬機還會保證多線程下的安全性，所以，若是在靜態代碼塊中若是包含了加載其餘類的操做可能會引發死鎖，例子能夠看這裏。

5 類加載器

5.1 JVM中的三類核心類加載器

JVM中有三類核心類加載器，分別是：

• 啓動類加載器：啓動類加載器是最頂層的類加載器，沒有父加載器，由C++編寫，負責JVM核心類庫的加載，好比加載整個java.lang包中的類
• 擴展類加載器：擴展類加載器的父加載器是啓動類加載器，主要加載jre/lib/ext子目錄下的類庫，純Java實現，是URLClassLoader的子類
• 應用類加載器：也叫系統類加載器，負責加載classpath下的類庫，應用類加載器的父加載器爲擴展類加載器，同時它也是自定義類加載器的默認父加載器

5.2 雙親委派機制

一個類加載器加載一個類的時候，並不會嘗試直接加載該類，而是先交給父加載器嘗試加載，一直到頂層的父加載器（啓動類加載器），若是父加載器加載失敗，則會本身嘗試加載，圖示以下：

6 線程上下文類加載器

JDK中提供了不少SPI（Service Provider Interface），好比JDBC等，JDBC只規定了這些接口之間的邏輯關係，但不提供具體的實現，換句話說，JDBC徹底透明瞭應用程序和第三方廠商數據庫驅動的具體實現，應用程序只須要面向接口編程便可。但問題是：

• java.lang.sql中的全部接口都是由JDK提供的，加載這些接口的類加載器是啓動類加載器
• 第三方廠商的類庫驅動由系統類加載器加載

因爲雙親委派機制，Connections、Statement等都是由啓動類加載器加載，而第三方JDBC驅動包中的實現不會被加載。解決這個問題的關鍵，就是使用了線程上下文類加載器打破了雙親委派機制。

好比MySQL驅動的加載過程，就是經過線程上下文類加載器加載的，

private static Connection getConnection(String url, Properties info, Class<?> caller) throws SQLException {
        //...
        if (callerCL == null || callerCL == ClassLoader.getPlatformClassLoader()) {
            callerCL = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        }
        while(true) {
            //...
            if (isDriverAllowed(aDriver.driver, callerCL)) {
            }
        }
        //...
}
private static boolean isDriverAllowed(Driver driver, ClassLoader classLoader) {
    //...
    try {
        aClass = Class.forName(driver.getClass().getName(), true, classLoader);
    } catch (Exception var5) {
        result = false;
    }
    //...
    return result;
}

經過線程上下文類加載器，就變成了啓動類加載器去委託子類加載器去加載實現的方式，也就是JDK本身親自打破了雙親委派機制這種方式，這種加載方式幾乎涉及全部的SPI加載，包括JAXB、JCE、JBI等。