Java虛擬機：類加載過程

在馮諾依曼的計算機模型中，任何程序都要加載到內存才能與CPU進行交流。字節碼.class文件一樣須要加載到內存中，才能夠實例化。

其中，類加載器ClassLoader的使命就是加載.class文件到內存中。

在加載類時，使用的是Parents Delegation Model，即雙親委派模型。

Java類加載器是一個運行時核心基礎設施模塊，以下圖，主要是在啓動之初進行類的加載（Load）、連接（Link）、初始化（Init）。

第一步，Load階段。

讀取.class文件流，並轉換爲特定的數據結構，初步校驗cafe babe魔法數、常量池、文件長度、是否有父類等，而後建立對應類的java.lang.Class實例。

第二步，Link階段。

包括驗證、準備和解析三個步驟。

• 驗證：是更詳細地校驗，好比final是否合規、類型是否正確、靜態變量是否合理等。
• 準備：爲靜態變量分配內存，設定默認初始值。
• 解析：解析類和方法之間相互引用正確性，完成內存佈局。

第三步，Init階段。

執行類構造器的<clinit>方法。

 

類加載器

類加載器相似於原始部落結構，存在權利等級制度。

最高一層是Bootstrap ClassLoader，它是在JVM啓動時建立的，是最根基的類加載器，負責裝載最核心的Java類，好比Object、System、String等。由C++編寫。

第二層是Extension ClassLoader（JDK9以後變爲了Platform ClassLoader，平臺類加載器）。用以加載擴展的系統類，好比XML、加密、壓縮等相關類。Java編寫。

第三層是Application ClassLoader，應用類加載器，主要是加載用戶自定義classpath下的類。

 

雙親委派模型

結合上圖，咱們來看一下ClassLoader的loadClass()方法：

 1 /**
 2     @Param resolve 是否連接
 3     @Param name 類名
 4 */
 5 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
 6         throws ClassNotFoundException
 7 {
 8     synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
 9         // 首先檢查該類是否已經被加載過
10         Class<?> c = findLoadedClass(name);
11         if (c == null) {
12             long t0 = System.nanoTime();
13             try {
14                 // 若是父加載器不爲空，就用它的父加載器去加載該類
15                 if (parent != null) {
16                     c = parent.loadClass(name, false);
17                 } else {
18                     // 到這裏的話就是bootstrapClassLoader
19                     // 這是一個本地方法，使用bootstrapClassLoader去加載該類
20                     // 若是加載不了，就返回空
21                     c = findBootstrapClassOrNull(name);
22                 }
23             } catch (ClassNotFoundException e) {
24                
25             }
26 
27             // 若是返回空了，證實其父類加載器不能加載該類
28             if (c == null) {
29 
30                 long t1 = System.nanoTime();
31                 // 使用本身進行加載
32                 c = findClass(name);
33 
34                 // this is the defining class loader; record the stats
35                 sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
36                 sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
37                 sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
38             }
39         }
40         // 若是resove爲true，就連接
41         if (resolve) {
42             resolveClass(c);
43         }
44         return c;
45     }
46 }

 

低層次的當前類加載器，不能覆蓋更高層次類加載器已經加載過的類。

若是底層的類加載器想要加載一個未知類，要很是有禮貌的向上級詢問：」請問，這個類已經加載了嗎？「，被詢問的高層類首先要回答本身一個問題：我是否加載過此類？若是答案爲否，那麼又向上詢問，直到Bootstrap ClassLoader爲止，若是它也未加載過而且並加載，就會逐層交給下一層類加載器，反應在源碼中就是第28行逐層遞歸退出。

 

咱們看一下Bootstrap全部已經加載的類庫：

URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
Arrays.asList(urls).forEach(System.out::println);

 

結果：

file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/resources.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/rt.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/jsse.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/jce.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/charsets.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/jfr.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/classes

 

Bootstrap的加載路徑是能夠追加的，不建議修改或刪除原有的加載路徑。經過-Xbootclasspath/a:參數能夠增長類加載路徑。

若是想在啓動時觀察加載了哪一個jar包中的類，能夠增長-XX:+TraceClassLoading參數，此參數在解決類衝突時很是實用。

 

何時須要自定義類加載器？

（1）隔離加載類。在某些框架內進行中間件與應用的模塊隔離，把類加載到不一樣的環境。

（2）修改類加載方式。出了Bootstrap外，其餘的加載並不是都要引入。

（3）擴展加載源。好比從數據庫、網絡進行加載。

（4）防止源碼泄露。Java代碼容易被編譯和篡改，能夠進行編譯加密。那麼類加載器也須要自定義。

實現自定義類加載器的步驟：繼承ClassLoader，重寫findClass()方法，調用defineClass()方法。下面是一個例子：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {

    private String path;
    private String name;

    public MyClassLoader(String path, String name) {
        this.path = path;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] data = null;
        try {
            data = getClassBytes(name);
            return defineClass(name, data, 0, data.length);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    // 獲取字節碼流 private byte[] getClassBytes(String className) throws IOException {

        InputStream in = null;
        ByteArrayOutputStream baos = null;
        try {
            int len = 0;
            byte[] bytes = new byte[1024];
            in = new FileInputStream(new File(path + className + ".class"));
            baos = new ByteArrayOutputStream();
            while ((len = in.read(bytes)) != -1) {
                baos.write(bytes, 0, len);
                baos.flush();
            }
        } catch (Exception e) {

        }finally {
            baos.close();
            in.close();
        }
        return baos.toByteArray();
    }
}

public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {

        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("E:\\","my classloader");
        Class clz = classLoader.findClass("Dog");
        Field[] fields = clz.getDeclaredFields();
        System.out.println(Arrays.toString(fields));
}