前言

本次帶來 JVM 的另一塊重要內(nèi)容，類加載機(jī)制，不廢話，直接開懟。

正文

1、類加載的過程。

類從被加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中開始，到卸載出內(nèi)存為止，它的整個生命周期包括：加載、驗證、準(zhǔn)備、解析、初始化、使用和卸載7個階段。其中驗證、準(zhǔn)備、解析3個部分統(tǒng)稱為連接。

1）加載

“類加載”過程的一個階段，在加載階段，虛擬機(jī)需要完成以下3件事情：

• 通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流。
• 將這個字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運行時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 在內(nèi)存中生成一個代表這個類的 java.lang.Class 對象，作為方法區(qū)這個類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口。

2）驗證

連接階段的第一步，這一階段的目的是為了確保 Class 文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并且不會危害虛擬機(jī)自身的安全。從整體上看，驗證階段大致上會完成下面4個階段的檢驗動作：文件格式驗證、元數(shù)據(jù)驗證、字節(jié)碼驗證、符號引用驗證。

3）準(zhǔn)備

該階段是正式為類變量（static修飾的變量）分配內(nèi)存并設(shè)置類變量初始值的階段，這些變量所使用的內(nèi)存都將在方法區(qū)中進(jìn)行分配。這里所說的初始值“通常情況”下是數(shù)據(jù)類型的零值，下表列出了Java中所有基本數(shù)據(jù)類型的零值。

4）解析

該階段是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號引用替換為直接引用的過程。解析動作主要針對類或接口、字段、類方法、接口方法、方法類型、方法句柄和調(diào)用點限定符這7類符號引用進(jìn)行。

5）初始化

到了初始化階段，才真正開始執(zhí)行類中定義的Java程序代碼。在準(zhǔn)備階段，變量已經(jīng)賦過一次系統(tǒng)要求的初始零值，而在初始化階段，則會根據(jù)程序員通過程序制定的主觀計劃去初始化類變量和其他資源。

我們也可以從另外一種更直接的形式來表達(dá)：初始化階段是執(zhí)行類構(gòu)造器<clinit>()方法的過程。<clinit>() 不是程序員在 Java 代碼中直接編寫的方法，而是由 Javac 編譯器自動生成的。

<clinit>() 方法是由編譯器自動收集類中的所有類變量的賦值動作和靜態(tài)語句塊（static{}塊）中的語句合并產(chǎn)生的，編譯器收集的順序是由語句在源文件中出現(xiàn)的順序所決定的，靜態(tài)語句塊中只能訪問到定義在靜態(tài)語句塊之前的變量，定義在它之后的變量，在前面的靜態(tài)語句塊可以賦值，但是不能訪問。

2、Java 虛擬機(jī)中有哪些類加載器？

從 Java 虛擬機(jī)的角度來講，只存在兩種不同的類加載器：

一種是啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader），這個類加載器使用C++語言實現(xiàn)，是虛擬機(jī)自身的一部分；

另一種就是所有其他的類加載器，這些類加載器都由Java語言實現(xiàn)，獨立于虛擬機(jī)外部，并且全都繼承自抽象類java.lang.ClassLoader。

從Java開發(fā)人員的角度來看，絕大部分Java程序都會使用到以下3種系統(tǒng)提供的類加載器。

1）啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader）：

這個類加載器負(fù)責(zé)將存放在<JAVA_HOME>\lib目錄中的，或者被-Xbootclasspath參數(shù)所指定的路徑中的，并且是虛擬機(jī)識別的（僅按照文件名識別，如rt.jar，名字不符合的類庫即使放在lib目錄中也不會被加載）類庫加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中。

2）擴(kuò)展類加載器（Extension ClassLoader）：

這個加載器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實現(xiàn)，它負(fù)責(zé)加載<JAVA_HOME>\lib\ext目錄中的，或者被java.ext.dirs系統(tǒng)變量所指定的路徑中的所有類庫，開發(fā)者可以直接使用擴(kuò)展類加載器。

3）應(yīng)用程序類加載器（Application ClassLoader）：

這個類加載器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader實現(xiàn)。由于這個類加載器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也稱它為系統(tǒng)類加載器。它負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（ClassPath）上所指定的類庫，開發(fā)者可以直接使用這個類加載器，如果應(yīng)用程序中沒有自定義過自己的類加載器，一般情況下這個就是程序中默認(rèn)的類加載器。

我們的應(yīng)用程序都是由這3種類加載器互相配合進(jìn)行加載的，如果有必要，還可以加入自己定義的類加載器。這些類加載器之間的關(guān)系一般如圖所示。

3、什么是雙親委派模型？

如果一個類加載器收到了類加載的請求，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把這個請求委派給父類加載器去完成，每一個層次的類加載器都是如此，因此所有的加載請求最終都應(yīng)該傳送到頂層的啟動類加載器中，只有當(dāng)父加載器反饋自己無法完成這個加載請求（它的搜索范圍中沒有找到所需的類）時，子加載器才會嘗試自己去加載。

類加載的源碼如下：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 1、檢查請求的類是否已經(jīng)被加載過了
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    // 2、將類加載請求先委托給父類加載器
                    if (parent != null) {
                        // 父類加載器不為空時，委托給父類加載進(jìn)行加載
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        // 父類加載器為空，則代表當(dāng)前是Bootstrap，從Bootstrap中加載類
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // 如果父類加載器拋出ClassNotFoundException
                    // 說明父類加載器無法完成加載請求
                }
                if (c == null) {
                    // 3、在父類加載器無法加載的時候，再調(diào)用本身的findClass方法來進(jìn)行類加載
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);
                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

4、為什么使用雙親委派模式？

1）使用雙親委派模型來組織類加載器之間的關(guān)系，有一個顯而易見的好處就是 Java 類隨著它的類加載器一起具備了一種帶有優(yōu)先級的層次關(guān)系。

2）如果沒有使用雙親委派模型，由各個類加載器自行去加載的話，如果用戶自己編寫了一個java.lang.Object 的類，并放在程序的 ClassPath 中，那系統(tǒng)中將會出現(xiàn)多個不同的 Object 類，Java 類型體系中最基礎(chǔ)的行為也就無法保證，應(yīng)用程序也將會變得一片混亂。

5、有哪些場景破壞了雙親委派模型？

目前比較常見的場景主要有：

1）線程上下文類加載器，典型的：JDBC 使用線程上下文類加載器加載 Driver 實現(xiàn)類

2）Tomcat 的多 Web 應(yīng)用程序

3）OSGI 實現(xiàn)模塊化熱部署

6、為什么要破壞雙親委派模型？

原因其實很簡單，就是使用雙親委派模型無法滿足需求了，因此只能破壞它，這邊以面試常問的 Tomcat 為例。

我們知道 Tomcat 容器可以同時部署多個 Web 應(yīng)用程序，多個 Web 應(yīng)用程序很容易存在依賴同一個 jar 包，但是版本不一樣的情況。例如應(yīng)用1和應(yīng)用2都依賴了 spring ，應(yīng)用1使用的 3.2.* 版本，而應(yīng)用2使用的是 4.3.* 版本。

如果遵循雙親委派模型，這個時候使用哪個版本了？

其實使用哪個版本都不行，很容易出現(xiàn)兼容性問題。因此，Tomcat 只能選擇破壞雙親委派模型。

7、如何破壞雙親委派模型？

破壞雙親委派模型的思路都比較類似，這邊以面試中常問到的 Tomcat 為例。

其實原理非常簡單，我們可以看到上面的類加載方法源碼（loadClass）的方法修飾符是 protected，因此我們只需以下幾步就能破壞雙親委派模型。

1）繼承 ClassLoader，Tomcat 中的 WebappClassLoader 繼承 ClassLoader 的子類 URLClassLoader。

2）重寫 loadClass 方法，實現(xiàn)自己的邏輯，不要每次都先委托給父類加載，例如可以先在本地加載，這樣就破壞了雙親委派模型了。

8、Tomcat 的類加載器？

Tomcat 的類加載器如下圖所示：

1）Bootstrap ClassLoader：可以看到上圖中缺少了 Extension ClassLoader，在 Tomcat 中 Extension ClassLoader 被集成到了 Bootstrap ClassLoader 里面。

2）System ClassLoader 就是 Application ClassLoader：Tomcat 中的系統(tǒng)類加載器不會加載 CLASSPATH 環(huán)境變量的內(nèi)容，而是從以下資源庫構(gòu)建 System 類加載器。

• $CATALINA_HOME/bin/bootstrap.jar，包含用于初始化Tomcat服務(wù)器的 main() 方法，以及它所依賴的類加載器實現(xiàn)類。
• $CATALINA_BASE/bin/tomcat-juli.jar 或 $CATALINA_HOME/bin/tomcat-juli.jar，日志實現(xiàn)類。
• 如果 $CATALINA_BASE/bin 中存在 tomcat-juli.jar，則使用它來代替 $CATALINA_HOME/bin中的那個。
• $CATALINA_HOME/bin/commons-daemon.jar

3）Common ClassLoader：從名字也看出來來了，主要包含一些通用的類，這些類對 Tomcat 內(nèi)部類和所有 Web 應(yīng)用程序都可見。

該類加載器搜索的位置由 $CATALINA_BASE/conf/catalina.properties 中的 common.loader 屬性定義，默認(rèn)設(shè)置將按照順序搜索以下位置。

• $CATALINA_BASE/lib 中未打包的類和資源
• $CATALINA_BASE/lib 目錄下的JAR 文件
• $CATALINA_HOME/lib 中未打包的類和資源
• $CATALINA_HOME/lib 目錄下的JAR文件

4）WebappX ClassLoader：Tomcat 為每個部署的 Web 應(yīng)用程序創(chuàng)建一個單獨的類加載器，這樣保證了不同應(yīng)用之間是隔離的，類和資源對其他 Web 應(yīng)用是不可見的。加載的路徑如下：

• Web應(yīng)用的 /WEB-INF/classes 目錄下的所有未打包的類和資源
• Web應(yīng)用的 /WEB-INF/lib 目錄下的 JAR 文件中的類和資源

9、Tomcat 的類加載過程？

Tomcat 的類加載過程，也就是 WebappClassLoaderBase#loadClass 的邏輯如下。

1）首先本地緩存 resourceEntries，如果已經(jīng)被加載過則直接返回緩存中的數(shù)據(jù)。

2）檢查 JVM 是否已經(jīng)加載過該類，如果是則直接返回。

3） 檢查要加載的類是否是 Java SE 的類，如果是則使用 BootStrap 類加載器加載該類，以防止 webapp 的類覆蓋了 Java SE 的類。

例如你寫了一個 java.lang.String 類，放在當(dāng)前應(yīng)用的 /WEB-INF/classes 中，如果沒有此步驟的保證，那么之后項目中使用的 String 類都是你自己定義的，而不是 rt.jar 下面的，可能會導(dǎo)致很多隱患。

4）針對委托屬性 delegate 顯示設(shè)置為 true、或者一些特殊的類（javax、org 包下的部分類），使用雙親委派模式加載，只有很少部分使用雙親委派模型來加載。

5）嘗試從本地加載類，如果步驟5中加載失敗也會走到本步驟，這邊打破了雙親委派模型，優(yōu)先從本地進(jìn)行加載。

7）走到這，代表步驟6加載失敗，如果之前不是使用雙親委派模式，則在這邊會委托給父類加載器來嘗試加載。

8）走到這邊代表所有的嘗試都加載失敗，拋出 ClassNotFoundException。

10、JDBC 使用線程上下文類加載器的原理

JDBC 功能相關(guān)的基礎(chǔ)類是由 Java 統(tǒng)一定義的，在 rt.jar 里面，例如 DriverManager，也就是由 Bootstrap ClassLoader 來加載，而 JDBC 的實現(xiàn)類是在各廠商的實現(xiàn) jar 包里，例如 MySQL 是在 mysql-connector-java 里，oracle、sqlserver 也會有各自的實現(xiàn) jar。

此時需要 JDBC 的基礎(chǔ)類調(diào)用其他廠商實現(xiàn)并部署在應(yīng)用程序的 ClassPath 下的 JDBC 服務(wù)提供接口（SPI，Service Provider Interface）的代碼。當(dāng)類A調(diào)用類B時，此時類B是由類A的類加載器來負(fù)責(zé)加載，而 JDBC 的基礎(chǔ)類都是由 Bootstrap ClassLoader 來加載，但是 Bootstrap ClassLoader 是不認(rèn)識也不會去加載這些廠商實現(xiàn)的代碼的。

因此，Java 提供了線程上下文類加載器，允許通過 Thread#setContextClassLoader/Thread#getContextClassLoader() 來設(shè)置和獲取當(dāng)前線程的上下文類加載器。如果創(chuàng)建線程時沒有設(shè)置，則會繼承父線程的，如果在應(yīng)用程序的全局范圍內(nèi)都沒有設(shè)置過的話，那這個類加載器默認(rèn)就是應(yīng)用程序類加載器（Application ClassLoader）。

綜上，JDBC 可以通過線程上下文類加載器，來實現(xiàn)父類加載器“委托”子類加載器完成類加載的行為，這個就明顯不遵守雙親委派模型了，不過這也是雙親委派模型自身的缺陷導(dǎo)致的。

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！

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