類的加載指的是將類的.class文件中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中,將其放在運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的方法區(qū)內(nèi),然后在堆區(qū)創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class對象,用來封裝類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。類的加載的最終產(chǎn)品是位于堆區(qū)中的Class對象,Class對象封裝了類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并且向Java程序員提供了訪問方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的接口。
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類加載器并不需要等到某個(gè)類被“首次主動(dòng)使用”時(shí)再加載它,JVM規(guī)范允許類加載器在預(yù)料某個(gè)類將要被使用時(shí)就預(yù)先加載它,如果在預(yù)先加載的過程中遇到了.class文件缺失或存在錯(cuò)誤,類加載器必須在程序首次主動(dòng)使用該類時(shí)才報(bào)告錯(cuò)誤(LinkageError錯(cuò)誤)如果這個(gè)類一直沒有被程序主動(dòng)使用,那么類加載器就不會(huì)報(bào)告錯(cuò)誤
加載.class文件的方式
其中類加載的過程包括了加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化五個(gè)階段。在這五個(gè)階段中,加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備和初始化這四個(gè)階段發(fā)生的順序是確定的,而解析階段則不一定,它在某些情況下可以在初始化階段之后開始,這是為了支持Java語言的運(yùn)行時(shí)綁定(也成為動(dòng)態(tài)綁定或晚期綁定)。另外注意這里的幾個(gè)階段是按順序開始,而不是按順序進(jìn)行或完成,因?yàn)檫@些階段通常都是互相交叉地混合進(jìn)行的,通常在一個(gè)階段執(zhí)行的過程中調(diào)用或激活另一個(gè)階段。
查找并加載類的二進(jìn)制數(shù)據(jù)加載時(shí)類加載過程的第一個(gè)階段,在加載階段,虛擬機(jī)需要完成以下三件事情:
相對于類加載的其他階段而言,加載階段(準(zhǔn)確地說,是加載階段獲取類的二進(jìn)制字節(jié)流的動(dòng)作)是可控性最強(qiáng)的階段,因?yàn)殚_發(fā)人員既可以使用系統(tǒng)提供的類加載器來完成加載,也可以自定義自己的類加載器來完成加載。
加載階段完成后,虛擬機(jī)外部的二進(jìn)制字節(jié)流就按照虛擬機(jī)所需的格式存儲(chǔ)在方法區(qū)之中,而且在Java堆中也創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class類的對象,這樣便可以通過該對象訪問方法區(qū)中的這些數(shù)據(jù)。
驗(yàn)證:確保被加載的類的正確性
驗(yàn)證是連接階段的第一步,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(huì)危害虛擬機(jī)自身的安全。驗(yàn)證階段大致會(huì)完成4個(gè)階段的檢驗(yàn)動(dòng)作:
驗(yàn)證階段是非常重要的,但不是必須的,它對程序運(yùn)行期沒有影響,如果所引用的類經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證,那么可以考慮采用-Xverifynone參數(shù)來關(guān)閉大部分的類驗(yàn)證措施,以縮短虛擬機(jī)類加載的時(shí)間。
準(zhǔn)備:為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存,并將其初始化為默認(rèn)值
準(zhǔn)備階段是正式為類變量分配內(nèi)存并設(shè)置類變量初始值的階段,這些內(nèi)存都將在方法區(qū)中分配。對于該階段有以下幾點(diǎn)需要注意:
那么變量value在準(zhǔn)備階段過后的初始值為0,而不是3,因?yàn)檫@時(shí)候尚未開始執(zhí)行任何Java方法,而把value賦值為3的public static指令是在程序編譯后,存放于類構(gòu)造器<clinit>()方法之中的,所以把value賦值為3的動(dòng)作將在初始化階段才會(huì)執(zhí)行。
這里還需要注意如下幾點(diǎn):
- 對基本數(shù)據(jù)類型來說,對于類變量(static)和全局變量,如果不顯式地對其賦值而直接使用,則系統(tǒng)會(huì)為其賦予默認(rèn)的零值,而對于局部變量來說,在使用前必須顯式地為其賦值,否則編譯時(shí)不通過。
- 對于同時(shí)被static和final修飾的常量,必須在聲明的時(shí)候就為其顯式地賦值,否則編譯時(shí)不通過;而只被final修飾的常量則既可以在聲明時(shí)顯式地為其賦值,也可以在類初始化時(shí)顯式地為其賦值,總之,在使用前必須為其顯式地賦值,系統(tǒng)不會(huì)為其賦予默認(rèn)零值。
- 對于引用數(shù)據(jù)類型reference來說,如數(shù)組引用、對象引用等,如果沒有對其進(jìn)行顯式地賦值而直接使用,系統(tǒng)都會(huì)為其賦予默認(rèn)的零值,即null。
- 如果在數(shù)組初始化時(shí)沒有對數(shù)組中的各元素賦值,那么其中的元素將根據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型而被賦予默認(rèn)的零值。
編譯時(shí)Javac將會(huì)為value生成ConstantValue屬性,在準(zhǔn)備階段虛擬機(jī)就會(huì)根據(jù)ConstantValue的設(shè)置將value賦值為3。我們可以理解為static final常量在編譯期就將其結(jié)果放入了調(diào)用它的類的常量池中
解析:把類中的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用
解析階段是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號(hào)引用替換為直接引用的過程,解析動(dòng)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(diǎn)限定符7類符號(hào)引用進(jìn)行。符號(hào)引用就是一組符號(hào)來描述目標(biāo),可以是任何字面量。
直接引用就是直接指向目標(biāo)的指針、相對偏移量或一個(gè)間接定位到目標(biāo)的句柄。
初始化
初始化,為類的靜態(tài)變量賦予正確的初始值,JVM負(fù)責(zé)對類進(jìn)行初始化,主要對類變量進(jìn)行初始化。在Java中對類變量進(jìn)行初始值設(shè)定有兩種方式:
②使用靜態(tài)代碼塊為類變量指定初始值
JVM初始化步驟
類初始化時(shí)機(jī):只有當(dāng)對類的主動(dòng)使用的時(shí)候才會(huì)導(dǎo)致類的初始化,類的主動(dòng)使用包括以下六種:
在如下幾種情況下,Java虛擬機(jī)將結(jié)束生命周期
尋找類加載器,先來一個(gè)小例子
package com.neo.classloader;
public class ClassLoaderTest {
public static void main(String[] args) {
ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
System.out.println(loader);
System.out.println(loader.getParent());
System.out.println(loader.getParent().getParent());
}
}
運(yùn)行后,輸出結(jié)果:
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@64fef26a
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1ddd40f3
null
從上面的結(jié)果可以看出,并沒有獲取到ExtClassLoader的父Loader,原因是Bootstrap Loader(引導(dǎo)類加載器)是用C語言實(shí)現(xiàn)的,找不到一個(gè)確定的返回父Loader的方式,于是就返回null。
這幾種類加載器的層次關(guān)系如下圖所示:
注意:這里父類加載器并不是通過繼承關(guān)系來實(shí)現(xiàn)的,而是采用組合實(shí)現(xiàn)的。
站在Java虛擬機(jī)的角度來講,只存在兩種不同的類加載器:啟動(dòng)類加載器:它使用C++實(shí)現(xiàn)(這里僅限于Hotspot,也就是JDK1.5之后默認(rèn)的虛擬機(jī),有很多其他的虛擬機(jī)是用Java語言實(shí)現(xiàn)的),是虛擬機(jī)自身的一部分;所有其它的類加載器:這些類加載器都由Java語言實(shí)現(xiàn),獨(dú)立于虛擬機(jī)之外,并且全部繼承自抽象類java.lang.ClassLoader,這些類加載器需要由啟動(dòng)類加載器加載到內(nèi)存中之后才能去加載其他的類。
站在Java開發(fā)人員的角度來看,類加載器可以大致劃分為以下三類:
啟動(dòng)類加載器:Bootstrap ClassLoader,負(fù)責(zé)加載存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安裝目錄,下同)下,或被-Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑中的,并且能被虛擬機(jī)識(shí)別的類庫(如rt.jar,所有的java.開頭的類均被Bootstrap ClassLoader加載)。啟動(dòng)類加載器是無法被Java程序直接引用的。
擴(kuò)展類加載器:Extension ClassLoader,該加載器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實(shí)現(xiàn),它負(fù)責(zé)加載JDK\jre\lib\ext目錄中,或者由java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定的路徑中的所有類庫(如javax.開頭的類),開發(fā)者可以直接使用擴(kuò)展類加載器。
應(yīng)用程序類加載器:Application ClassLoader,該類加載器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader來實(shí)現(xiàn),它負(fù)責(zé)加載用戶類路徑(ClassPath)所指定的類,開發(fā)者可以直接使用該類加載器,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(gè)就是程序中默認(rèn)的類加載器。
應(yīng)用程序都是由這三種類加載器互相配合進(jìn)行加載的,如果有必要,我們還可以加入自定義的類加載器。因?yàn)镴VM自帶的ClassLoader只是懂得從本地文件系統(tǒng)加載標(biāo)準(zhǔn)的java class文件,因此如果編寫了自己的ClassLoader,便可以做到如下幾點(diǎn):
JVM類加載機(jī)制
類加載有三種方式:
package com.neo.classloader;
public class loaderTest {
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
ClassLoader loader = HelloWorld.class.getClassLoader();
System.out.println(loader);
//使用ClassLoader.loadClass()來加載類,不會(huì)執(zhí)行初始化塊
loader.loadClass("Test2");
//使用Class.forName()來加載類,默認(rèn)會(huì)執(zhí)行初始化塊
//Class.forName("Test2");
//使用Class.forName()來加載類,并指定ClassLoader,初始化時(shí)不執(zhí)行靜態(tài)塊
//Class.forName("Test2", false, loader);
}
}
demo類
public class Test2 {
static {
System.out.println("靜態(tài)初始化塊執(zhí)行了!");
}
}
分別切換加載方式,會(huì)有不同的輸出結(jié)果。
Class.forName()和ClassLoader.loadClass()區(qū)別
雙親委派模型的工作流程是:如果一個(gè)類加載器收到了類加載的請求,它首先不會(huì)自己去嘗試加載這個(gè)類,而是把請求委托給父加載器去完成,依次向上,因此,所有的類加載請求最終都應(yīng)該被傳遞到頂層的啟動(dòng)類加載器中,只有當(dāng)父加載器在它的搜索范圍中沒有找到所需的類時(shí),即無法完成該加載,子加載器才會(huì)嘗試自己去加載該類。
雙親委派機(jī)制:
ClassLoader源碼分析:
public Class<?> loadClass(String name)throws ClassNotFoundException {
return loadClass(name, false);
}
protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException {
// 首先判斷該類型是否已經(jīng)被加載
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
//如果沒有被加載,就委托給父類加載或者委派給啟動(dòng)類加載器加載
try {
if (parent != null) {
//如果存在父類加載器,就委派給父類加載器加載
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
//如果不存在父類加載器,就檢查是否是由啟動(dòng)類加載器加載的類,通過調(diào)用本地方法native Class findBootstrapClass(String name)
c = findBootstrapClass0(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// 如果父類加載器和啟動(dòng)類加載器都不能完成加載任務(wù),才調(diào)用自身的加載功能
c = findClass(name);
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
雙親委派模型意義:
通常情況下,我們都是直接使用系統(tǒng)類加載器。但是,有的時(shí)候,我們也需要自定義類加載器。比如應(yīng)用是通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸 Java類的字節(jié)碼,為保證安全性,這些字節(jié)碼經(jīng)過了加密處理,這時(shí)系統(tǒng)類加載器就無法對其進(jìn)行加載,這樣則需要自定義類加載器來實(shí)現(xiàn)。自定義類加載器一般都是繼承自ClassLoader類,從上面對loadClass方法來分析來看,我們只需要重寫 findClass 方法即可。下面我們通過一個(gè)示例來演示自定義類加載器的流程:
package com.neo.classloader;
import java.io.*;
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
private String root;
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
byte[] classData = loadClassData(name);
if (classData == null) {
throw new ClassNotFoundException();
} else {
return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
}
}
private byte[] loadClassData(String className) {
String fileName = root + File.separatorChar
+ className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
try {
InputStream ins = new FileInputStream(fileName);
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
int bufferSize = 1024;
byte[] buffer = new byte[bufferSize];
int length = 0;
while ((length = ins.read(buffer)) != -1) {
baos.write(buffer, 0, length);
}
return baos.toByteArray();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
public String getRoot() {
return root;
}
public void setRoot(String root) {
this.root = root;
}
public static void main(String[] args) {
MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
classLoader.setRoot("E:\\temp");
Class<?> testClass = null;
try {
testClass = classLoader.loadClass("com.neo.classloader.Test2");
Object object = testClass.newInstance();
System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InstantiationException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
自定義類加載器的核心在于對字節(jié)碼文件的獲取,如果是加密的字節(jié)碼則需要在該類中對文件進(jìn)行解密。由于這里只是演示,我并未對class文件進(jìn)行加密,因此沒有解密的過程。這里有幾點(diǎn)需要注意:
針對于上面所涉及到的知識(shí)點(diǎn)我總結(jié)出了有1到5年開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的程序員在面試中涉及到的絕大部分架構(gòu)面試題及答案做成了文檔和架構(gòu)視頻資料免費(fèi)分享給大家(包括Dubbo、redis、Netty、zookeeper、Spring cloud、分布式、高并發(fā)等架構(gòu)技術(shù)資料),希望能幫助到您面試前的復(fù)習(xí)且找到一個(gè)好的工作,也節(jié)省大家在網(wǎng)上搜索資料的時(shí)間來學(xué)習(xí),也可以關(guān)注我一下以后會(huì)有更多干貨分享。
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