竟然還有人沒搞懂 JVM 類加載器？一文徹底明白

作者：Java高級架構師阿谷 2019-10-28 10:19:27

云計算

虛擬化 在Java面試中，在考察完項目經(jīng)驗、基礎技術后，我會根據(jù)候選人的特點進行知識深度的考察，如果候選人簡歷上有寫JVM(Java虛擬機)相關的東西，那么我常常會問一些JVM的問題。

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寫在前面

在Java面試中，在考察完項目經(jīng)驗、基礎技術后，我會根據(jù)候選人的特點進行知識深度的考察，如果候選人簡歷上有寫JVM(Java虛擬機)相關的東西，那么我常常會問一些JVM的問題。JVM的類加載機制是一個很經(jīng)典的知識點，圍繞這個知識點可以有下面這些難度不同的問題。

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中不同類加載器的概念和作用?
4. 簡單講下JVM中的雙親委派模型?
5. 什么情況下會破壞雙親委派模型?為什么?可否舉個例子?
6. Tomcat中的類加載機制有了解嗎?為什么這么設計?
7. 實際開發(fā)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(xiàn)?簡單講下動態(tài)類加載機制?

在接下來的幾篇文章，我將跟讀者一起重新梳理一遍類加載器的相關知識，爭取能夠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(jié)碼，字節(jié)碼構成的文件是class文件。平常我們寫的Java文件，需要編譯為class文件才能交給JVM運行。可以這么說：C語言代碼——>二進制文件——>計算機硬件，就相當于Java代碼——>字節(jié)碼文件——>JVM。JVM將指定的class文件讀取到內存里，并運行該class文件里的Java程序的過程，就稱之為類的加載;反之，將某個class文件的運行時數(shù)據(jù)從JVM中移除的過程，就稱之為類的卸載。

class文件的運行時數(shù)據(jù)就是C++對象，也稱為kclass對象，這些運行時數(shù)據(jù)在JDK7之前是放在永久代(PermGen)，JDK8之后則放在元空間(Metaspace)。

類的生命周期

Java類從被虛擬機加載開始，到卸載出內存為止，它的整個生命周期包括：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(tǒng)稱為連接(Linking)階段。

類的加載的時機

虛擬機規(guī)范并未嚴格規(guī)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(jié)碼類文件中常量池符號的時候，Class.forName()、ClassLoader.loadClass()、反射API和JNI_FindClass都可以觸發(fā)類加載，Hot JVM自身啟動的時候也會觸發(fā)類加載。

通過JVM參數(shù)中加-verbose:class，可以在應用啟動的時候打印類加載的過程，如下圖所示：

1. 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”的情況
2. 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(tài)字段的時候、調用一個類的靜態(tài)方法的時候;
3. 使用java.lang.reflect包的方法對類進行反射調用的時候，如果類沒有進行過初始化，則要先觸發(fā)其初始化;
4. 當初始化一個類的時候，如果發(fā)現(xiàn)其父類還沒有被初始化，則要先初始化其父類;
5. 當虛擬機啟動時，用戶需要指定一個執(zhí)行的主類(包含main方法的那個類)，則虛擬機會優(yōu)先初始化這個主類;
6. 在JDK1.7以后，動態(tài)語言支持的時候，如果一個java.lang.invoke.MethodHandle實例最后的結果是要執(zhí)行第1種情況的操作，則也要進行初始化。

類的卸載時機

類的卸載跟采用的垃圾收集算法有關，在CMS中有兩種方法卸載不必要的類，一種是等到元空間(Metaspace)滿了的時候觸發(fā)FGC，另一種是使用跟CMS并發(fā)收集算法類似的方式，不過對于元空間的閾值和觸發(fā)CMS并發(fā)收集的閾值是獨立的。更具體的可以參考之前的文章：CMS學習筆記。在這里，我們只需要記住，JVM中一個類的卸載要滿足下面這3個條件：

1. 該類所有的實例對象都已被回收;
2. 該類的類加載器對象已經(jīng)被回收;
3. 該類對應的java.lang.Class對象沒有在任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法。

類加載器的作用

類的加載是需要類加載器完成的，但是類加載器在JVM中的作用可不止這些。在JVM中，一個類的唯一性是需要這個類本身和類加載一起才能確定的，每個類加載器都有一個獨立的命名空間。

不同的類加載器，即使是同一個類字節(jié)碼文件，最后再JVM里的類對象也不是同一個，下面的代碼展示了這個結論：

  
 
 
 

   
  
  
  
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);
   
  
  
  
 }
   
  
  
  
}
  
 
 
 

上述代碼的運行結果是：

可以看出，代碼中使用自定義類加載器(myLoader)加載的jvm.ClassLoaderTest類和通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中的作用有：

1. 將類的字節(jié)碼文件從JVM外部加載到內存中
2. 確定一個類的唯一性
3. 提供隔離特性，為中間件開發(fā)者提供便利，例如Tomcat

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