JVM類加載機制面試題解析

有這樣一道面試題：

class Singleton{
    private static Singleton singleton = new Singleton();
    public static int value1;
    public static int value2 = 0;

    private Singleton(){
        value1++;
        value2++;
    }

    public static Singleton getInstance(){
        return singleton;
    }

}

class Singleton2{
    public static int value1;
    public static int value2 = 0;
    private static Singleton2 singleton2 = new Singleton2();

    private Singleton2(){
        value1++;
        value2++;
    }

    public static Singleton2 getInstance2(){
        return singleton2;
    }

}

public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        System.out.println("Singleton1 value1:" + singleton.value1);
        System.out.println("Singleton1 value2:" + singleton.value2);

        Singleton2 singleton2 = Singleton2.getInstance2();
        System.out.println("Singleton2 value1:" + singleton2.value1);
        System.out.println("Singleton2 value2:" + singleton2.value2);
    }

說出運行的結果：
Singleton1 value1 : 1
Singleton1 value2 : 0
Singleton2 value1 : 1
Singleton2 value2 : 1

稍後會帶來分析。

一 類加載機制

JVM類加載分爲5個過程：加載，驗證，準備，解析，初始化，使用，卸載，以下圖所示：

下面來看看加載，驗證，準備，解析，初始化這5個過程的具體動做。

1.1 加載

加載主要是將.class文件（並不必定是.class。能夠是ZIP包，網絡中獲取）中的二進制字節流讀入到JVM中。
在加載階段，JVM須要完成3件事：
1）經過類的全限定名獲取該類的二進制字節流；
2）將字節流所表明的靜態存儲結構轉化爲方法區的運行時數據結構；
3）在內存中生成一個該類的java.lang.Class對象，做爲方法區這個類的各類數據的訪問入口。

1.2 鏈接

1.2.1 驗證

驗證是鏈接階段的第一步，主要確保加載進來的字節流符合JVM規範。
驗證階段會完成如下4個階段的檢驗動做：
1）文件格式驗證
2）元數據驗證(是否符合Java語言規範)
3）字節碼驗證（肯定程序語義合法，符合邏輯）
4）符號引用驗證（確保下一步的解析能正常執行）

1.2.2 準備

準備是鏈接階段的第二步，主要爲靜態變量在方法區分配內存，並設置默認初始值。

1.2.3 解析

解析是鏈接階段的第三步，是虛擬機將常量池內的符號引用替換爲直接引用的過程。

1.3 初始化

初始化階段是類加載過程的最後一步，主要是根據程序中的賦值語句主動爲類變量賦值。
注：
1）當有父類且父類爲初始化的時候，先去初始化父類；
2）再進行子類初始化語句。

何時須要對類進行初始化？
1）使用new該類實例化對象的時候；
2）讀取或設置類靜態字段的時候（但被final修飾的字段，在編譯器時就被放入常量池的靜態字段除外static final）；
3）調用類靜態方法的時候；
4）使用反射Class.forName(「xxxx」)對類進行反射調用的時候，該類須要初始化；
5） 初始化一個類的時候，有父類，先初始化父類（注：1. 接口除外，父接口在調用的時候纔會被初始化；2.子類引用父類靜態字段，只會引起父類初始化）；
6） 被標明爲啓動類的類（即包含main()方法的類）要初始化；
7）當使用JDK1.7的動態語言支持時，若是一個java.invoke.MethodHandle實例最後的解析結果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，而且這個方法句柄所對應的類沒有進行過初始化，則須要先觸發其初始化。

以上狀況稱爲對一個類進行主動引用，且有且只要以上幾種狀況須要對類進行初始化。

再回過頭來分析一開始的面試題：
Singleton輸出結果：1 0
緣由：

1 首先執行main中的Singleton singleton = Singleton.getInstance();
2 類的加載：加載類Singleton
3 類的驗證
4 類的準備：爲靜態變量分配內存，設置默認值。這裏爲singleton(引用類型)設置爲null,value1,value2（基本數據類型）設置默認值0
5 類的初始化（按照賦值語句進行修改）：
執行private static Singleton singleton = new Singleton();
執行Singleton的構造器：value1++;value2++; 此時value1，value2均等於1
執行
public static int value1;
public static int value2 = 0;
此時value1=1，value2=0

Singleton2輸出結果：1 1
緣由：

1 首先執行main中的Singleton2 singleton2 = Singleton2.getInstance2();
2 類的加載：加載類Singleton2
3 類的驗證
4 類的準備：爲靜態變量分配內存，設置默認值。這裏爲value1,value2（基本數據類型）設置默認值0,singleton2(引用類型)設置爲null,
5 類的初始化（按照賦值語句進行修改）：
執行
public static int value2 = 0;
此時value2=0(value1不變，依然是0);
執行
private static Singleton singleton = new Singleton();
執行Singleton2的構造器：value1++;value2++;
此時value1，value2均等於1,即爲最後結果

二 類加載器

類加載器實現的功能是即爲加載階段獲取二進制字節流的時候。

JVM提供瞭如下3種系統的類加載器：

• 啓動類加載器（Bootstrap ClassLoader）：最頂層的類加載器，負責加載 JAVA_HOME\lib 目錄中的，或經過-Xbootclasspath參數指定路徑中的，且被虛擬機承認（按文件名識別，如rt.jar）的類。
• 擴展類加載器(Extension ClassLoader)：負責加載 JAVA_HOME\lib\ext 目錄中的，或經過java.ext.dirs系統變量指定路徑中的類庫。
• 應用程序類加載器(Application ClassLoader)：也叫作系統類加載器，能夠經過getSystemClassLoader()獲取，負責加載用戶路徑（classpath）上的類庫。若是沒有自定義類加載器，通常這個就是默認的類加載器。

類加載器之間的層次關係以下：

照片來源：http://www.importnew.com/25295.html

類加載器之間的這種層次關係叫作雙親委派模型。
雙親委派模型要求除了頂層的啓動類加載器（Bootstrap ClassLoader）外，其他的類加載器都應當有本身的父類加載器。這裏的類加載器之間的父子關係通常不是以繼承關係實現的，而是用組合實現的。

雙親委派模型的工做過程

若是一個類接受到類加載請求，他本身不會去加載這個請求，而是將這個類加載請求委派給父類加載器，這樣一層一層傳送，直到到達啓動類加載器（Bootstrap ClassLoader）。
只有當父類加載器沒法加載這個請求時，子加載器纔會嘗試本身去加載。

雙親委派模型的代碼實現

雙親委派模型的代碼實現集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法當中。
1）首先檢查類是否被加載，沒有則調用父類加載器的loadClass()方法；
2）若父類加載器爲空，則默認使用啓動類加載器做爲父加載器；
3）若父類加載失敗，拋出ClassNotFoundException 異常後，再調用本身的findClass() 方法。

loadClass源代碼以下：

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    //1 首先檢查類是否被加載
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            if (parent != null) {
             //2 沒有則調用父類加載器的loadClass()方法；
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
            //3 若父類加載器爲空，則默認使用啓動類加載器做爲父加載器；
                c = findBootstrapClass0(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
           //4 若父類加載失敗，拋出ClassNotFoundException 異常後
            c = findClass(name);
        }
    }
    if (resolve) {
        //5 再調用本身的findClass() 方法。
        resolveClass(c);
    }
    return c;
}

破壞雙親委派模型

雙親委派模型很好的解決了各個類加載器加載基礎類的統一性問題。即越基礎的類由越上層的加載器進行加載。
若加載的基礎類中須要回調用戶代碼，而這時頂層的類加載器沒法識別這些用戶代碼，怎麼辦呢？這時就須要破壞雙親委派模型了。
下面介紹兩個例子來說解破壞雙親委派模型的過程。

1. JNDI破壞雙親委派模型
   JNDI是Java標準服務，它的代碼由啓動類加載器去加載。可是JNDI須要回調獨立廠商實現的代碼，而類加載器沒法識別這些回調代碼（SPI）。
   爲了解決這個問題，引入了一個線程上下文類加載器。 可經過Thread.setContextClassLoader()設置。
   利用線程上下文類加載器去加載所須要的SPI代碼，即父類加載器請求子類加載器去完成類加載的過程，而破壞了雙親委派模型。

2. Spring破壞雙親委派模型
   Spring要對用戶程序進行組織和管理，而用戶程序通常放在WEB-INF目錄下，由WebAppClassLoader類加載器加載，而Spring由Common類加載器或Shared類加載器加載。
   那麼Spring是如何訪問WEB-INF下的用戶程序呢？
   使用線程上下文類加載器。 Spring加載類所用的classLoader都是經過Thread.currentThread().getContextClassLoader()獲取的。當線程建立時會默認建立一個AppClassLoader類加載器（對應Tomcat中的WebAppclassLoader類加載器）： setContextClassLoader(AppClassLoader)。
   利用這個來加載用戶程序。即任何一個線程均可經過getContextClassLoader()獲取到WebAppclassLoader。

三 附上Tomcat類加載架構：

（圖片來源：http://lib.csdn.net/article/java/60356）
Tomcat目錄下有4組目錄：

• /common目錄下：類庫能夠被Tomcat和Web應用程序共同使用；由 Common ClassLoader類加載器加載目錄下的類庫；
• /server目錄：類庫只能被Tomcat可見；由 Catalina ClassLoader類加載器加載目錄下的類庫；
• /shared目錄：類庫對全部Web應用程序可見，但對Tomcat不可見；由 Shared ClassLoader類加載器加載目錄下的類庫；
• /WebApp/WEB-INF目錄：僅僅對當前web應用程序可見。由 WebApp ClassLoader類加載器加載目錄下的類庫；
• 每個JSP文件對應一個JSP類加載器。

參考：《深刻理解Java虛擬機》