java类加载机制

Posted 2020-09-01

  类加载机制是指将class文件加载到JVM，并形成class对象的机制，之后应用就可以对class对象进行实例化并调用，类加载机制可在运行时动态加载外部的类、远程网络下载过来的class文件等。除了该动态化的特殊外，JVM的类加载机制会对不同的应用起到隔离作用，以免相互影响。

  JVM类加载分为三步：装载、链接和初始化。装载和链接是将二进制的字节码转换成class对象；初始化过程不是加载类时必须触发的，但是在初次主动使用对象前必须进行初始化。

 装载

  装载过程负责找到二进制字节码并加载至JVM中，JVM通过类的全限定名及类加载器完成类的加载，同样，也采用以上两个元素来标识一个被加载了的类：类的全限定名+classloader实例ID。

 链接

  链接过程负责对二进制字节码的格式进行校验、初始化装载类中的静态变量及解析类中调用的接口、类。

  二进制字节码的格式机校验遵循java class file format规范，如果格式不符合，则抛出VerifyError；校验过程中如果碰到引用到其他的接口和类，也会进行加载；如果加载过程失败，则会抛出NoClassDefFoundError。

  完成校验后，JVM初始化类中的静态变量，并将其值赋为默认值。

  最后对类中的所有属性、方法进行验证，以确保其要调用的属性、方法存在，以及具备相应的权限(public/private等)。如果这个阶段失败，可能会造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等错误信息。

 初始化

  初始化过程即执行类中的静态初始化代码、构造器代码及静态属性的初始化，在以下四种情况下初始化过程会触发执行：

  1.调用了new；

  2.反射调用了类加的方法；

  3.子类调用了初始化；

  4.JVM启动过程中指定的初始化类。

 

  在执行初始化过程之前，首先必须完成链接过程中的校验和准备阶段，解析阶段则不强制。

  JVM的类加载通过ClassLoader及其子类来完成，分为Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader、System ClassLoader及User-Defined ClassLoader。

  Bootstrap ClassLoader

  sun JDK采用C++实现了此类，此类并非ClassLoader的子类，在代码中没有办法拿到这个对象，SunJDK启动时会初始此ClassLoader，并由ClassLoader完成$JAVA_HOME$中jre/lib/rt.jar里所有class文件的加载，jar中包含了java规范定义的所有接口及实现。

  Extension ClassLoader

  JVM用此ClassLoader来加载扩展功能的一些jar包，jre/lib/ext/*.jar。在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为ExtClassLoader。 

  System ClassLoader

  JVM用此ClassLoader来加载启动参数中指定的classpath中的jar包及目录，在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为AppClassLoader。

  User-Defined ClassLoader

  指java开发人员继承ClassLoader抽象类实现的ClassLoader，基于自定义的ClassLoader可用于加载非Classpath中(例如从网络上下载的jar或二进制)的jar及目录、还可以在加载之前对class文件做一些动作，例如解密等。

 JVM的ClassLoader采用的是树形结构，除BootstrapClassLoader外，其他的ClassLoader都会有parentClassLoader，User-Defined ClassLoader默认的parent ClassLoader为System ClassLoader。加载类时通常按照树形结构的原则来进行，也就是说，首先应从parent ClassLoader中尝试进行加载，当parent中无法加载时，应再尝试从System ClassLoader中进行加载，System ClassLoader同样遵循此原则，在找不到的情况下会自动从其parent ClassLoader中进行加载。值得注意的是，由于JVM是采用类名加ClassLoader的实例来作为Classl加载的判断的，因此加载时不采用上面的顺序也是可以的，例如加载时不去parent ClassLoader中寻找，而只在当前的ClassLoader中寻找，会造成树上多个不同的ClassLoader中都加载了某class,并且这些class的实例对象都不相同，JVM会保证同一个ClassLoader实例对象中只能加载一次同样名称的class,因此可借助此来实现类隔离的需求，但有时也会带来困惑，例如ClassCastException.因此在加载类的顺序上要根据需求合理把握，尽量保证从根到最下层的classLoader上的class只加载了一次。

  

  ClassLoader抽象类提供了几个关键的方法：

 loadClass

  此方法负责加载指定名字的类，classLoader的实现方法为先从已经的类中寻找，如滑，则继续从parent ClassLoader中寻找；如果仍然没找到，则从system ClassLoader中寻找，最后再调用findClass方法来寻找；如果要改变类的加载顺序，则可覆盖此方法；如果加载顺序相同，则可通过覆盖findClass来做特殊的处理，例如解密、固定路径寻找等。当通过整个寻找类的过程仍然未获取Class对象时，则抛出ClassNotFoundException。

  findLoadedClass

 此方法负责从当前ClassLoader实例对象的缓存中寻找已加载的类，调的为native的方法。

  findClass

 此方法直接抛出classNotFoundException,因此要通过覆盖loadClass或此方法来以自定义的方式加载相应的类。

  findSystemClass

 此方法负责从system ClassLoader中寻找类，如未找到，则继续从Bootstrap ClassLoader中寻找，如果仍然未找到，则返回null。

 defineClass

 此方法负责将二进制的字节码转换为class对象，这个方法对于自定义加载类而言非常重要。如果二进制的字节码的格式不符合JVM Class文件的格式，则抛出ClassFormatError;如果生成的类名和二进制字节码中的不同，则抛出NoClassDefFoundError；如果加载的class是受保护的、采用不同签名的，或者类名是以java开头的，则抛出SecurityException；如果加载的class在此ClassLoader中已加载，则抛出LinkageError。

  resolveClass

 此方法负责完成class对象的链接，如果链接过，则会直接返回。

 当java开发人员调用Class.forName来获取一个对应名称的class对象时，JVM会从方法栈上寻找第一个ClassLoader,通常也就是执行Class.forName所在类的ClassLoader,并使用此ClassLoader来加载此名称的类。JVM为了保护加载、执行的类的安全，它不允许Classloader直接卸载加载了的类，只有JVM才能卸载，在SunJDK中，只有当Classloader对象没有引用时，此ClassLoader对象加载的类才会被卸载。