關(guān)于Java類加載問題我竟讓面試官啞口無言

學(xué)習(xí)類加載之前我們先看看從面試官的角度會(huì)問哪些問題？帶著問題學(xué)習(xí)會(huì)更加高效。

直擊面試

1. 看你簡(jiǎn)歷寫得熟悉 JVM，那你說說類的加載過程吧？
2. 我們可以自定義一個(gè) String 類來使用嗎？
3. 什么是類加載器，類加載器有哪些？這些類加載器都加載哪些文件？
4. 多線程的情況下，類的加載為什么不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)加載的情況？
5. 什么是雙親委派機(jī)制？它有啥優(yōu)勢(shì)？可以打破這種機(jī)制嗎？

類加載子系統(tǒng)

類加載機(jī)制概念

Java 虛擬機(jī)把描述類的數(shù)據(jù)從 Class 文件加載到內(nèi)存，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機(jī)直接使用的 Java 類型，這就是虛擬機(jī)的加載機(jī)制。Class 文件由類裝載器裝載后，在 JVM 中將形成一份描述 Class 結(jié)構(gòu)的元信息對(duì)象，通過該元信息對(duì)象可以獲知 Class 的結(jié)構(gòu)信息：如構(gòu)造函數(shù)，屬性和方法等，Java 允許用戶借由這個(gè) Class 相關(guān)的元信息對(duì)象間接調(diào)用 Class 對(duì)象的功能，這里就是我們經(jīng)常能見到的 Class 類。

類加載子系統(tǒng)作用

• 類加載子系統(tǒng)負(fù)責(zé)從文件系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)中加載 class 文件，class 文件在文件開頭有特定的文件標(biāo)識(shí)（0xCAFEBABE）
• ClassLoader 只負(fù)責(zé) class 文件的加載。至于它是否可以運(yùn)行，則由 Execution Engine 決定
• 加載的類信息存放于一塊稱為方法區(qū)的內(nèi)存空間。除了類的信息外，方法區(qū)中還存放- 運(yùn)行時(shí)常量池信息，可能還包括字
• Class 對(duì)象是存放在堆區(qū)的

類加載器 ClassLoader 角色

1. class file 存在于本地硬盤上，可以理解為設(shè)計(jì)師畫在紙上的模板，而最終這個(gè)模板在執(zhí)行的時(shí)候是要加載到JVM 當(dāng)中來根據(jù)這個(gè)文件實(shí)例化出 n 個(gè)一模一樣的實(shí)例
2. class file 加載到 JVM 中，被稱為 DNA 元數(shù)據(jù)模板，放在方法區(qū)
3. 在 .calss 文件 -> JVM -> 最終成為元數(shù)據(jù)模板，此過程就要一個(gè)運(yùn)輸工具（類裝載器），扮演一個(gè)快遞員的角色

類加載過程

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(gè)生命周期包括：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化、使用和卸載七個(gè)階段。(驗(yàn)證、準(zhǔn)備和解析又統(tǒng)稱為連接，為了支持 Java 語言的運(yùn)行時(shí)綁定，所以解析階段也可以是在初始化之后進(jìn)行的。以上順序都只是說開始的順序，實(shí)際過程中是交叉的混合式進(jìn)行的，加載過程中可能就已經(jīng)開始驗(yàn)證了)

(資料圖片僅供參考)

1. 加載（Loading）：

1. 通過一個(gè)類的全限定名獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流
2. 將這個(gè)字節(jié)流所代表的的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
3. 在內(nèi)存中生成一個(gè)代表這個(gè)類的 java.lang.Class 對(duì)象，作為方法區(qū)這個(gè)類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口

加載 .class 文件的方式

• 從本地系統(tǒng)中直接加載
• 通過網(wǎng)絡(luò)獲取，典型場(chǎng)景：Web Applet
• 從 zip 壓縮文件中讀取，成為日后 jar、war 格式的基礎(chǔ)
• 運(yùn)行時(shí)計(jì)算生成，使用最多的是：動(dòng)態(tài)代理技術(shù)
• 由其他文件生成，比如 JSP 應(yīng)用
• 從專有數(shù)據(jù)庫提取 .class 文件，比較少見
• 從加密文件中獲取，典型的防 Class 文件被反編譯的保護(hù)措施

2. 連接（Linking）

驗(yàn)證（Verify）

• 目的在于確保 Class 文件的字節(jié)流中包含信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)要求，保證被加載類的正確性，不會(huì)危害虛擬機(jī)自身安全

• 主要包括四種驗(yàn)證，文件格式驗(yàn)證，元數(shù)據(jù)驗(yàn)證，字節(jié)碼驗(yàn)證，符號(hào)引用驗(yàn)證

準(zhǔn)備（Prepare）

• 為類變量分配內(nèi)存并且設(shè)置該類變量的默認(rèn)初始值，即零值

• 這里不包含用 final 修飾的 static，因?yàn)?final 在編譯的時(shí)候就會(huì)分配了，準(zhǔn)備階段會(huì)顯示初始化

• 這里不會(huì)為實(shí)例變量分配初始化，類變量會(huì)分配在方法區(qū)中，而實(shí)例變量是會(huì)隨著對(duì)象一起分配到 Java 堆中

private static int i = 1;  //變量i在準(zhǔn)備階只會(huì)被賦值為0，初始化時(shí)才會(huì)被賦值為1private final static int j = 2;  //這里被final修飾的變量j，直接成為常量，編譯時(shí)就會(huì)被分配為2

解析（Resolve）

• 將常量池內(nèi)的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用的過程
• 事實(shí)上，解析操作往往會(huì)伴隨著 JVM 在執(zhí)行完初始化之后再執(zhí)行
• 符號(hào)引用就是一組符號(hào)來描述所引用的目標(biāo)。符號(hào)引用的字面量形式明確定義在《Java虛擬機(jī)規(guī)范》的 Class文件格式中。直接引用就是直接指向目標(biāo)的指針、相對(duì)偏移量或一個(gè)間接定位到目標(biāo)的句柄
• 解析動(dòng)作主要針對(duì)類或接口、字段、類方法、接口方法、方法類型等。對(duì)應(yīng)常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等

3. 初始化（Initialization）

• 初始化階段就是執(zhí)行類構(gòu)造器方法 () 的過程
• 此方法不需要定義，是 javac 編譯器自動(dòng)收集類中的所有類變量的賦值動(dòng)作和靜態(tài)代碼塊中的語句合并而來
• 構(gòu)造器方法中指令按語句在源文件中出現(xiàn)的順序執(zhí)行
• () 不同于類的構(gòu)造器（構(gòu)造器是虛擬機(jī)視角下的 ()）
• 若該類具有父類，JVM 會(huì)保證子類的 () 執(zhí)行前，父類的 () 已經(jīng)執(zhí)行完畢
• 虛擬機(jī)必須保證一個(gè)類的 () 方法在多線程下被同步加鎖

public class ClassInitTest{  private static int num1 = 30;  static{    num1 = 10;    num2 = 10;     //num2寫在定義變量之前，為什么不會(huì)報(bào)錯(cuò)呢？？    System.out.println(num2);   //這裡直接打印可以嗎？ 報(bào)錯(cuò)，非法的前向引用，可以賦值，但不可調(diào)用  }  private static int num2 = 20;  //num2在準(zhǔn)備階段就被設(shè)置了默認(rèn)初始值0，初始化階段又將10改為20  public static void main(String[] args){    System.out.println(num1);  //10    System.out.println(num2);   //20  }}

類的主動(dòng)使用和被動(dòng)使用

Java 程序?qū)︻惖氖褂梅绞椒譃椋褐鲃?dòng)使用和被動(dòng)使用。虛擬機(jī)規(guī)范規(guī)定有且只有 5 種情況必須立即對(duì)類進(jìn)行“初始化”，即類的主動(dòng)使用。

• 創(chuàng)建類的實(shí)例、訪問某個(gè)類或接口的靜態(tài)變量，或者對(duì)該靜態(tài)變量賦值、調(diào)用類的靜態(tài)方法（即遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 這四條字節(jié)碼指令時(shí)）
• 反射
• 初始化一個(gè)類的子類
• Java 虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)被標(biāo)明為啟動(dòng)類的類
• JDK7 開始提供的動(dòng)態(tài)語言支持：java.lang.invoke.MethodHandle 實(shí)例的解析結(jié)果，REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 句柄對(duì)應(yīng)的類沒有初始化，則初始化

除以上五種情況，其他使用 Java 類的方式被看作是對(duì)類的被動(dòng)使用，都不會(huì)導(dǎo)致類的初始化。

例如:

public class NotInitialization {    public static void main(String[] args) {         //只輸出SupperClass int 123,不會(huì)輸出SubClass init        //對(duì)于靜態(tài)字段，只有直接定義這個(gè)字段的類才會(huì)被初始化        System.out.println(SubClass.value);     }}class SuperClass {    static {        System.out.println("SupperClass init");    }    public static int value = 123;}class SubClass extends SuperClass {    static {        System.out.println("SubClass init");    }}

類加載器

• JVM 支持兩種類型的類加載器，分別為引導(dǎo)類加載器（Bootstrap ClassLoader）和自定義類加載器（User-Defined ClassLoader）

• 從概念上來講，自定義類加載器一般指的是程序中由開發(fā)人員自定義的一類類加載器，但是 Java 虛擬機(jī)規(guī)范卻沒有這么定義，而是將所有派生于抽象類 ClassLoader 的類加載器都劃分為自定義類加載器

啟動(dòng)類加載器（引導(dǎo)類加載器，Bootstrap ClassLoader）

• 這個(gè)類加載使用 C/C++ 語言實(shí)現(xiàn)，嵌套在 JVM 內(nèi)部
• 它用來加載 Java 的核心庫（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resource.jar或sun.boot.class.path路徑下的內(nèi)容），用于提供 JVM 自身需要的類
• 并不繼承自 java.lang.ClassLoader，沒有父加載器
• 加載擴(kuò)展類和應(yīng)用程序類加載器，并指定為他們的父類加載器
• 出于安全考慮，Bootstrap 啟動(dòng)類加載器只加載名為 java、Javax、sun 等開頭的類

擴(kuò)展類加載器（Extension ClassLoader）

• Java 語言編寫，由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 實(shí)現(xiàn)
• 派生于 ClassLoader
• 父類加載器為啟動(dòng)類加載器
• 從 java.ext.dirs 系統(tǒng)屬性所指定的目錄中加載類庫，或從 JDK 的安裝目錄的 jre/lib/ext 子目錄（擴(kuò)展目錄）下加載類庫。如果用戶創(chuàng)建的 JAR 放在此目錄下，也會(huì)自動(dòng)由擴(kuò)展類加載器加載

應(yīng)用程序類加載器（也叫系統(tǒng)類加載器，AppClassLoader）

• Java 語言編寫，由 sun.misc.Lanucher$AppClassLoader 實(shí)現(xiàn)派生于 ClassLoader
• 父類加載器為擴(kuò)展類加載器
• 它負(fù)責(zé)加載環(huán)境變量 classpath 或系統(tǒng)屬性 java.class.path 指定路徑下的類庫
• 該類加載是程序中默認(rèn)的類加載器，一般來說，Java 應(yīng)用的類都是由它來完成加載的通過 ClassLoader#getSystemClassLoader() 方法可以獲取到該類加載器

public class ClassLoaderTest {    public static void main(String[] args) {        //獲取系統(tǒng)類加載器        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();        System.out.println(systemClassLoader);  //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@135fbaa4        //獲取其上層：擴(kuò)展類加載器        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();        System.out.println(extClassLoader);  //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@2503dbd3        //再獲取其上層：獲取不到引導(dǎo)類加載器        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();        System.out.println(bootstrapClassLoader);     //null        //對(duì)于用戶自定義類來說，默認(rèn)使用系統(tǒng)類加載器進(jìn)行加載，輸出和systemClassLoader一樣        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();        System.out.println(classLoader);  //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@135fbaa4        //String 類使用引導(dǎo)類加載器進(jìn)行加載。Java的核心類庫都使用引導(dǎo)類加載器進(jìn)行加載，所以也獲取不到        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();        System.out.println(classLoader1);  //null        //獲取BootstrapClassLoader可以加載的api的路徑        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();        for (URL url : urls) {            System.out.println(url.toExternalForm());        }    }}

用戶自定義類加載器

在 Java 的日常應(yīng)用程序開發(fā)中，類的加載幾乎是由 3 種類加載器相互配合執(zhí)行的，在必要時(shí)，我們還可以自定義類加載器，來定制類的加載方式

為什么要自定義類加載器？

• 隔離加載類
• 修改類加載的方式
• 擴(kuò)展加載源（可以從數(shù)據(jù)庫、云端等指定來源加載類）
• 防止源碼泄露（Java 代碼容易被反編譯，如果加密后，自定義加載器加載類的時(shí)候就可以先解密，再加載）

用戶自定義加載器實(shí)現(xiàn)步驟

1. 開發(fā)人員可以通過繼承抽象類 java.lang.ClassLoader 類的方式，實(shí)現(xiàn)自己的類加載器，以滿足一些特殊的需求
2. 在 JDK1.2 之前，在自定義類加載器時(shí)，總會(huì)去繼承 ClassLoader 類并重寫 loadClass() 方法，從而實(shí)現(xiàn)自定義的類加載類，但是 JDK1.2 之后已經(jīng)不建議用戶去覆蓋 loadClass() 方式，而是建議把自定義的類加載邏輯寫在 findClass() 方法中
3. 編寫自定義類加載器時(shí)，如果沒有太過于復(fù)雜的需求，可以直接繼承 URLClassLoader 類，這樣就可以避免自己去編寫 findClass() 方法及其獲取字節(jié)碼流的方式，使自定義類加載器編寫更加簡(jiǎn)潔

ClassLoader 常用方法

ClassLoader 類，是一個(gè)抽象類，其后所有的類加載器都繼承自 ClassLoader（不包括啟動(dòng)類加載器）

對(duì)類加載器的引用

JVM 必須知道一個(gè)類型是由啟動(dòng)加載器加載的還是由用戶類加載器加載的。如果一個(gè)類型是由用戶類加載器加載的，那么 JVM 會(huì)將這個(gè)類加載器的一個(gè)引用作為類型信息的一部分保存在方法區(qū)中。當(dāng)解析一個(gè)類型到另一個(gè)類型的引用的時(shí)候，JVM 需要保證這兩個(gè)類型的類加載器是相同的。

雙親委派機(jī)制

Java 虛擬機(jī)對(duì) class 文件采用的是按需加載的方式，也就是說當(dāng)需要使用該類的時(shí)候才會(huì)將它的 class 文件加載到內(nèi)存生成 class 對(duì)象。而且加載某個(gè)類的 class 文件時(shí)，Java 虛擬機(jī)采用的是雙親委派模式，即把請(qǐng)求交給父類處理，它是一種任務(wù)委派模式。

工作過程

• 如果一個(gè)類加載器收到了類加載請(qǐng)求，它并不會(huì)自己先去加載，而是把這個(gè)請(qǐng)求委托給父類的加載器去執(zhí)行；
• 如果父類加載器還存在其父類加載器，則進(jìn)一步向上委托，依次遞歸，請(qǐng)求最終將到達(dá)頂層的啟動(dòng)類加載器；
• 如果父類加載器可以完成類加載任務(wù)，就成功返回，倘若父類加載器無法完成此加載任務(wù)，子加載器才會(huì)嘗試自己去加載，這就是雙親委派模式

優(yōu)勢(shì)

• 避免類的重復(fù)加載，JVM 中區(qū)分不同類，不僅僅是根據(jù)類名，相同的 class 文件被不同的 ClassLoader 加載就屬于兩個(gè)不同的類（比如，Java中的Object類，無論哪一個(gè)類加載器要加載這個(gè)類，最終都是委派給處于模型最頂端的啟動(dòng)類加載器進(jìn)行加載，如果不采用雙親委派模型，由各個(gè)類加載器自己去加載的話，系統(tǒng)中會(huì)存在多種不同的 Object 類）
• 保護(hù)程序安全，防止核心 API 被隨意篡改，避免用戶自己編寫的類動(dòng)態(tài)替換 Java 的一些核心類，比如我們自定義類：java.lang.String

在 JVM 中表示兩個(gè) class 對(duì)象是否為同一個(gè)類存在兩個(gè)必要條件：

• 類的完成類名必須一致，包括包名
• 加載這個(gè)類的 ClassLoader（指ClassLoader實(shí)例對(duì)象）必須相同

沙箱安全機(jī)制

如果我們自定義 String 類，但是在加載自定義 String 類的時(shí)候會(huì)率先使用引導(dǎo)類加載器加載，而引導(dǎo)類加載器在加載的過程中會(huì)先加載 jdk 自帶的文件（rt.jar包中 java\lang\String.class），報(bào)錯(cuò)信息說沒有 main 方法就是因?yàn)榧虞d的是rt.jar包中的String類。這樣就可以保證對(duì) java 核心源代碼的保護(hù)，這就是簡(jiǎn)單的沙箱安全機(jī)制。

破壞雙親委派模型

• 雙親委派模型并不是一個(gè)強(qiáng)制性的約束模型，而是 Java 設(shè)計(jì)者推薦給開發(fā)者的類加載器實(shí)現(xiàn)方式，可以“被破壞”，只要我們自定義類加載器，重寫 loadClass() 方法，指定新的加載邏輯就破壞了，重寫 findClass() 方法不會(huì)破壞雙親委派。
• 雙親委派模型有一個(gè)問題：頂層 ClassLoader，無法加載底層 ClassLoader 的類。典型例子JNDI、JDBC，所以加入了線程上下文類加載器（Thread Context ClassLoader），可以通過Thread.setContextClassLoaser()設(shè)置該類加載器，然后頂層 ClassLoader 再使用 Thread.getContextClassLoader() 獲得底層的 ClassLoader 進(jìn)行加載。
• Tomcat 中使用了自定 ClassLoader，并且也破壞了雙親委托機(jī)制。每個(gè)應(yīng)用使用 WebAppClassloader 進(jìn)行單獨(dú)加載，他首先使用 WebAppClassloader 進(jìn)行類加載，如果加載不了再委托父加載器去加載，這樣可以保證每個(gè)應(yīng)用中的類不沖突。每個(gè)tomcat中可以部署多個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目中存在很多相同的class文件（很多相同的jar包），他們加載到 jvm 中可以做到互不干擾。
• 利用破壞雙親委派來實(shí)現(xiàn)代碼熱替換（每次修改類文件，不需要重啟服務(wù)）。因?yàn)橐粋€(gè) Class 只能被一個(gè)ClassLoader 加載一次，否則會(huì)報(bào) java.lang.LinkageError。當(dāng)我們想要實(shí)現(xiàn)代碼熱部署時(shí)，可以每次都new 一個(gè)自定義的 ClassLoader 來加載新的 Class文件。JSP 的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)修改就是使用此特性實(shí)現(xiàn)。

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