完全搞懂JVM類加載器：基本概念

寫在前面

在Java面試中，在考察完項目經驗、基礎技術後，我會根據候選人的特色進行知識深度的考察，若是候選人簡歷上有寫JVM（Java虛擬機）相關的東西，那麼我經常會問一些JVM的問題。JVM的類加載機制是一個很經典的知識點，圍繞這個知識點能夠有下面這些難度不一樣的問題。

1. 簡單講下JVM中的類加載過程
2. JVM中的類加載和卸載的時機？
3. 如何理解JVM中不一樣類加載器的概念和做用？
4. 簡單講下JVM中的雙親委派模型？
5. 什麼狀況下會破壞雙親委派模型？爲何？能否舉個例子？
6. Tomcat中的類加載機制有了解嗎？爲何這麼設計？
7. 實際開發中有遇到哪些類加載器相關的問題？你又是如何解決的？
8. JVM之上的弱類型語言例如Groovy是如何實現？簡單講下動態類加載機制？

在接下來的幾篇文章，我將跟讀者一塊兒從新梳理一遍類加載器的相關知識，爭取可以妥善解答上面列出的這些問題。

基本概念篇

類的加載和卸載

JVM是虛擬機的一種，它的指令集語言是字節碼，字節碼構成的文件是class文件。日常咱們寫的Java文件，須要編譯爲class文件才能交給JVM運行。能夠這麼說：C語言代碼——>二進制文件——>計算機硬件，就至關於Java代碼——>字節碼文件——>JVM。JVM將指定的class文件讀取到內存裏，並運行該class文件裏的Java程序的過程，就稱之爲類的加載；反之，將某個class文件的運行時數據從JVM中移除的過程，就稱之爲類的卸載。

class文件的運行時數據就是C++對象，也稱爲kclass對象，這些運行時數據在JDK7以前是放在永久代（PermGen），JDK8以後則放在元空間（Metaspace）。

類的生命週期

Java類從被虛擬機加載開始，到卸載出內存爲止，它的整個生命週期包括：加載（Loading）、驗證（Verification）、準備（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸載（Unloading）7個階段；其中驗證、準備和解析又統稱爲鏈接（Linking）階段。

類的加載的時機

虛擬機規範並未嚴格規定類加載的時機，跟具體的JVM虛擬機有關。類加載的最佳時機是解析Java字節碼類文件中常量池符號的時候，Class.forName()、ClassLoader.loadClass()、反射API和JNI_FindClass均可以觸發類加載，Hot JVM自身啓動的時候也會觸發類加載。

經過JVM參數中加-verbose:class，能夠在應用啓動的時候打印類加載的過程，以下圖所示：

初始化這個階段，JVM虛擬機給出了5種必須對類進行「初始化」的狀況

1. 使用new關鍵字實例化對象的時候、讀取或設置一個類的靜態字段的時候、調用一個類的靜態方法的時候；
2. 使用java.lang.reflect包的方法對類進行反射調用的時候，若是類沒有進行過初始化，則要先觸發其初始化；
3. 當初始化一個類的時候，若是發現其父類尚未被初始化，則要先初始化其父類；
4. 當虛擬機啓動時，用戶須要指定一個執行的主類（包含main方法的那個類），則虛擬機會優先初始化這個主類；
5. 在JDK1.7之後，動態語言支持的時候，若是一個java.lang.invoke.MethodHandle實例最後的結果是要執行第1種狀況的操做，則也要進行初始化。

類的卸載時機

類的卸載跟採用的垃圾收集算法有關，在CMS中有兩種方法卸載沒必要要的類，一種是等到元空間（Metaspace）滿了的時候觸發FGC，另外一種是使用跟CMS併發收集算法相似的方式，不過對於元空間的閾值和觸發CMS併發收集的閾值是獨立的。更具體的能夠參考以前的文章：CMS學習筆記。在這裏，咱們只須要記住，JVM中一個類的卸載要知足下面這3個條件：

1. 該類全部的實例對象都已被回收；
2. 該類的類加載器對象已經被回收；
3. 該類對應的java.lang.Class對象沒有在任何地方被引用，沒法在任何地方經過反射訪問該類的方法。

類加載器的做用

類的加載是須要類加載器完成的，可是類加載器在JVM中的做用可不止這些。在JVM中，一個類的惟一性是須要這個類自己和類加載一塊兒才能肯定的，每一個類加載器都有一個獨立的命名空間。

不一樣的類加載器，即便是同一個類字節碼文件，最後再JVM裏的類對象也不是同一個，下面的代碼展現了這個結論：

package jvm;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException,
        InstantiationException {
        ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
                InputStream inputStream = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                if (inputStream == null) {
                    return super.loadClass(name);
                }
                try {
                    byte[] b = new byte[inputStream.available()];
                    inputStream.read(b);
                    return defineClass(name, b, 0, b.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException();
                }
            }
        };

        Object obj = myLoader.loadClass("jvm.ClassLoaderTest").newInstance();
        System.out.println(obj.getClass());
        System.out.println(obj instanceof jvm.ClassLoaderTest);

        ClassLoaderTest classLoaderTest = new ClassLoaderTest();
        System.out.println(classLoaderTest.getClass());
        System.out.println(classLoaderTest instanceof jvm.ClassLoaderTest);
    }
}複製代碼

上述代碼的運行結果是：

能夠看出，代碼中使用自定義類加載器（myLoader）加載的jvm.ClassLoaderTest類和經過應用程序類加載器加載的類不是同一個類。綜上，類加載器在JVM中的做用有：

1. 將類的字節碼文件從JVM外部加載到內存中
2. 肯定一個類的惟一性
3. 提供隔離特性，爲中間件開發者提供便利，例如Tomcat

總結

今天的文章，應該能夠回答文章開始提出的前兩個問題，下篇再會。

參考資料

1. jrebel.com/rebellabs/d…
2. stackoverflow.com/questions/2…
3. docs.oracle.com/javase/9/do…
4. www.ibm.com/developerwo…
5. blogs.oracle.com/sundararaja…
6. 《深刻理解Java虛擬機》
7. 《揭祕Java虛擬機》
8. 《Java性能權威指南》
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   本號專一於後端技術、JVM問題排查和優化、Java面試題、我的成長和自我管理等主題，爲讀者提供一線開發者的工做和成長經驗，期待你能在這裏有所收穫。