前言

本文已經(jīng)收錄到我的Github個(gè)人博客，歡迎大佬們光臨寒舍：

我的GIthub博客

學(xué)習(xí)導(dǎo)圖

學(xué)習(xí)導(dǎo)圖

一.為什么要學(xué)習(xí)類加載機(jī)制署辉？

今天想跟大家嘮嗑嘮嗑Java的類加載機(jī)制，這是Java的一個(gè)很重要的創(chuàng)新點(diǎn)，曾經(jīng)也是Java流行的重要原因之一。

Oracle當(dāng)初引入這個(gè)機(jī)制是為了滿足Java Applet開發(fā)的需求集侯，JVM咬咬牙引入了Java類加載機(jī)制，后來的基于Jvm的動(dòng)態(tài)部署帜消，插件化開發(fā)包括大家熱議的熱修復(fù)棠枉，總之很多后來的技術(shù)都源于在JVM中引入了類加載器。

如今泡挺，類加載機(jī)制也在各個(gè)領(lǐng)域大放異彩辈讶，在面試中，由類加載機(jī)制所衍生出來各類面試題也層出不窮娄猫。

所以贱除，我們要了解下類加載機(jī)制，為工作中或者是面試中實(shí)際的需要打好良好的基礎(chǔ)媳溺。

二.核心知識(shí)點(diǎn)歸納

2.1 概述

Q1:JVM類加載機(jī)制定義：

虛擬機(jī)把描述類的數(shù)據(jù)從Class文件加載到內(nèi)存月幌，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換解析和初始化悬蔽，最終形成可被虛擬機(jī)直接使用的Java類型的過程

Q2：特性

運(yùn)行期類加載扯躺。即在Java語言里面，類型的加載蝎困、連接和初始化過程都是在程序運(yùn)行期完成的缅帘，從而通過犧牲一些性能開銷來換取Java程序的高度靈活性

什么是運(yùn)行期，什么是編譯期难衰？

• 編譯期是指編譯器將源代碼翻譯為機(jī)器能識(shí)別的代碼钦无，Java被編譯為Jvm認(rèn)識(shí)的字節(jié)碼文件
• 運(yùn)行期則是指Java代碼的運(yùn)行過程

JVM運(yùn)行期動(dòng)態(tài)加載+動(dòng)態(tài)連接->Java的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展特性

2.2 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)存為止盖袭，整個(gè)生命周期包括七個(gè)階段：

• 加載

• 驗(yàn)證

• 準(zhǔn)備

• 解析

• 初始化

• 使用

• 卸載

其中失暂，驗(yàn)證彼宠、準(zhǔn)備、解析這3個(gè)部分統(tǒng)稱為連接弟塞，流程如下圖：

類加載過程

注意：

• 『加載』->『驗(yàn)證』->『準(zhǔn)備』->『初始化』->『卸載』這五個(gè)階段的順序是確定的凭峡，而『解析』可能為了支持Java的動(dòng)態(tài)綁定會(huì)在『初始化』后才開始
• 上述階段通常都是互相交叉地混合式進(jìn)行的，比如會(huì)在一個(gè)階段執(zhí)行的過程中調(diào)用决记、激活另外一個(gè)階段

想要了解Java動(dòng)態(tài)綁定和靜態(tài)綁定區(qū)別的話摧冀，可以看下這篇文章：理解靜態(tài)綁定與動(dòng)態(tài)綁定

2.2.1 加載

Q1：任務(wù)

• 通過類的全限定名來獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流。如從ZIP包讀取系宫、從網(wǎng)絡(luò)中獲取索昂、通過運(yùn)行時(shí)計(jì)算生成、由其他文件生成扩借、從數(shù)據(jù)庫中讀取等等途徑......

想要詳細(xì)了解類的全限定名的知識(shí)椒惨，可以看下這篇文章：全限定名、簡(jiǎn)單名稱和描述符是什么東西潮罪？

• 將該二進(jìn)制字節(jié)流所代表的靜態(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)康谆，該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)自行定義
• 在內(nèi)存中生成一個(gè)代表這個(gè)類的java.lang.Class對(duì)象，它將作為程序訪問方法區(qū)中的這些類型數(shù)據(jù)的外部接口

2.2.2 驗(yàn)證

• 是連接階段的第一步嫉到，且工作量在JVM類加載子系統(tǒng)中占了相當(dāng)大的一部分
• 目的：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)的要求沃暗，并且不會(huì)危害虛擬機(jī)自身的安全

由此可見，它能直接決定JVM能否承受惡意代碼的攻擊何恶，因此驗(yàn)證階段很重要孽锥，但由于它對(duì)程序運(yùn)行期沒有影響，并不一定必要导而，可以考慮使用-Xverify：none參數(shù)來關(guān)閉大部分的類驗(yàn)證措施忱叭，以縮短虛擬機(jī)類加載的時(shí)間。

• 檢驗(yàn)過程包括下面四個(gè)階段：

  A.文件格式驗(yàn)證：

  • 內(nèi)容：驗(yàn)證字節(jié)流是否符合Class文件格式的規(guī)范今艺、以及是否能被當(dāng)前版本的虛擬機(jī)處理

  • 目的：保證輸入的字節(jié)流能正確地解析并存儲(chǔ)于方法區(qū)之內(nèi)韵丑，且格式上符合描述一個(gè)Java類型信息的要求。只有保證二進(jìn)制字節(jié)流通過了該驗(yàn)證后虚缎，它才會(huì)進(jìn)入內(nèi)存的方法區(qū)中進(jìn)行存儲(chǔ)撵彻，所以后續(xù)3個(gè)驗(yàn)證階段全部是基于方法區(qū)而不是字節(jié)流了

  • 例子：

    1. 是否以魔數(shù)0xCAFEBABE開頭

    2. 主次版本號(hào)是否在JVM接受范圍內(nèi)

    3. 索引值是否有指向不存在/不符合類型的常量

       ......

  B.元數(shù)據(jù)驗(yàn)證：

  • 內(nèi)容：對(duì)字節(jié)碼描述的信息進(jìn)行語義分析，以保證其描述的信息符合Java語言規(guī)范的要求

  • 目的：對(duì)類的元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行語義校驗(yàn)实牡，保證不存在不符合Java語言規(guī)范的元數(shù)據(jù)信息

  • 例子：

    1. 類是否有父類（除了java.lang.Object之外陌僵，所有類都應(yīng)有父類）

    2. 父類是否繼承了不允許被繼承的類（final修飾的類）

    3. 如果該類不是抽象類，是否實(shí)現(xiàn)了其父類或接口中要求實(shí)現(xiàn)的所有方法

       ......

  ? C.字節(jié)碼驗(yàn)證：

  • 是驗(yàn)證過程中最復(fù)雜的一個(gè)階段

  • 內(nèi)容：對(duì)類的方法體進(jìn)行校驗(yàn)分析创坞，保證被校驗(yàn)類的方法在運(yùn)行時(shí)不會(huì)做出危害虛擬機(jī)安全的事件

  • 目的：通過數(shù)據(jù)流和控制流分析碗短，確定程序語義是合法的、符合邏輯的

  • 例子：

    1. 保證任意時(shí)刻操作數(shù)棧的數(shù)據(jù)類型與指令代碼序列都能配合工作题涨，例如不會(huì)出現(xiàn)“在操作數(shù)棧的數(shù)據(jù)類型中放置了int類型的數(shù)據(jù)偎谁，使用時(shí)卻按long類型來載入本地變量表中”

    2. 保證任何跳轉(zhuǎn)指令都不會(huì)跳轉(zhuǎn)到方法體外的字節(jié)碼指令上

       ......

  ? D.符號(hào)引用驗(yàn)證：

  • 內(nèi)容：對(duì)類自身以外（如常量池中的各種符號(hào)引用）的信息進(jìn)行匹配性校驗(yàn)
  • 目的：確保解析動(dòng)作能正常執(zhí)行总滩，如果無法通過符號(hào)引用驗(yàn)證，那么將會(huì)拋出一個(gè)java.lang.IncompatibleClassChangeError異常的子類
  • 注意：該驗(yàn)證發(fā)生在虛擬機(jī)將符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用的時(shí)候巡雨，即『解析』階段

2.2.3 準(zhǔn)備

Q1：任務(wù)

• 為類變量（靜態(tài)變量）分配內(nèi)存：因?yàn)檫@里的變量是由方法區(qū)分配內(nèi)存的闰渔，所以僅包括類變量而不包括實(shí)例變量，后者將會(huì)在對(duì)象實(shí)例化時(shí)隨著對(duì)象一起分配在Java堆中
• 設(shè)置類變量初始值：通常情況下零值

2.2.4 解析

之前提過铐望，解析階段就是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號(hào)引用替換為直接引用的過程

• 符號(hào)引用：以一組符號(hào)來描述所引用的目標(biāo)

• 可以是任何形式的字面量冈涧，只要使用時(shí)能無歧義地定位到目標(biāo)即可
• 與虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存布局無關(guān)，因?yàn)榉?hào)引用的字面量形式明確定義在Java虛擬機(jī)規(guī)范的Class文件格式中正蛙，所以即使各種虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存布局不同督弓，但是能接受符號(hào)引用都是一致的

• 直接引用：

• 可以是直接指向目標(biāo)的指針、相對(duì)偏移量或是一個(gè)能間接定位到目標(biāo)的句柄
• 與虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存布局相關(guān)跟畅，同一個(gè)符號(hào)引用在不同虛擬機(jī)實(shí)例上翻譯出來的直接引用一般不同

• 發(fā)生時(shí)間：JVM會(huì)根據(jù)需要來判斷咽筋，是在類被加載器加載時(shí)就對(duì)常量池中的符號(hào)引用進(jìn)行解析溶推，還是等到一個(gè)符號(hào)引用將要被使用前才去解析
• 解析動(dòng)作：有七類符號(hào)及其對(duì)應(yīng)在常量池的七種常量類型

• 類或接口(CONSTANT_Class_info)
• 字段(CONSTANT_Fieldref_info)
• 類方法(CONSTANT_Methodref_info)
• 接口方法(CONSTANT_InterfaceMethodref_info)
• 方法類型(CONSTANT_MethodType_info)
• 方法句柄(CONSTANT_MethodHandle_info)
• 調(diào)用點(diǎn)限定符(CONSTANT_InvokeDynamic_info)

舉個(gè)例子徊件，設(shè)當(dāng)前代碼所處的為類D，把一個(gè)從未解析過的符號(hào)引用N解析為一個(gè)類或接口C的直接引用蒜危，解析過程分三步：

• 若C不是數(shù)組類型：JVM將會(huì)把代表N的全限定名傳遞給D類加載器去加載這個(gè)類C虱痕。在加載過程中，由于元數(shù)據(jù)驗(yàn)證辐赞、字節(jié)碼驗(yàn)證的需要部翘，又可能觸發(fā)其他相關(guān)類的加載動(dòng)作。一旦這個(gè)加載過程出現(xiàn)了任何異常响委，解析過程就宣告失敗新思。
• 若C是數(shù)組類型且數(shù)組元素類型為對(duì)象：JVM也會(huì)按照上述規(guī)則加載數(shù)組元素類型
• 若上述步驟無任何異常：此時(shí)C在JVM中已成為一個(gè)有效的類或接口，但在解析完成前還需進(jìn)行符號(hào)引用驗(yàn)證赘风，來確認(rèn)D是否具備對(duì)C的訪問權(quán)限夹囚。如果發(fā)現(xiàn)不具備訪問權(quán)限，將拋出java.lang.IllegalAccessError異常

Q1:字段（成員變量/域）和屬性有什么區(qū)別邀窃？

• 屬性荸哟，是指對(duì)象的屬性，對(duì)于JavaBean來說瞬捕，是getXXX方法定義的
• 字段鞍历，是成員變量

class Person{
    private String mingzi;  //mingzi是字段，一般來說字段和屬性是相同的肪虎，但是這個(gè)例子是特例
    public String getName(){  //name是屬性
        return mingzi:
    }
    public void setName(){
        mingzi= "張三";
    }
}

2.2.5 初始化

• 是類加載過程的最后一步劣砍，會(huì)開始真正執(zhí)行類中定義的Java代碼。而之前的類加載過程中扇救，除了在『加載』階段用戶應(yīng)用程序可通過自定義類加載器參與之外刑枝，其余階段均由虛擬機(jī)主導(dǎo)和控制
• 與『準(zhǔn)備』階段的區(qū)分：

• 準(zhǔn)備階段：變量賦初始零值
• 初始化階段：根據(jù)Java程序的設(shè)定去初始化類變量和其他資源赊淑，或者說是執(zhí)行類構(gòu)造器clinit的過程

clinit：由編譯器自動(dòng)收集類中的所有類變量（靜態(tài)變量）的賦值動(dòng)作和靜態(tài)語句塊static{}中的語句合并產(chǎn)生

• 是線程安全的，在多線程環(huán)境中被正確地加鎖仅讽、同步
• 對(duì)于類或接口來說是非必需的陶缺，如果一個(gè)類中沒有靜態(tài)語句塊，也沒有對(duì)變量的賦值操作洁灵，那么編譯器可以不為這個(gè)類生成 clinit
• 接口與類不同的是饱岸，執(zhí)行接口的 clinit不需要先執(zhí)行父接口的 clinit，只有當(dāng)父接口中定義的變量使用時(shí)徽千，父接口才會(huì)初始化苫费。另外，接口的實(shí)現(xiàn)類在初始化時(shí)也一樣不會(huì)執(zhí)行接口的clinit

想詳細(xì)了解clinit以及其與init的區(qū)別的讀者双抽，可以看下這篇文章：深入理解jvm--Java中init和clinit區(qū)別完全解析

• 在虛擬機(jī)規(guī)范中百框，規(guī)定了有且只有五種情況必須立即對(duì)類進(jìn)行『初始化』：

• 遇到new、getstatic牍汹、putstatic或invokestatic這4條字節(jié)碼指令時(shí)
• 使用java.lang.reflect包的方法對(duì)類進(jìn)行反射調(diào)用的時(shí)候
• 當(dāng)初始化一個(gè)類的時(shí)候铐维，若發(fā)現(xiàn)其父類還未進(jìn)行初始化，需先觸發(fā)其父類的初始化
• 在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)慎菲，需指定一個(gè)要執(zhí)行的主類嫁蛇，虛擬機(jī)會(huì)先初始化它
• 當(dāng)使用JDK1.7的動(dòng)態(tài)語言支持時(shí)，若一個(gè)java.lang.invoke.MethodHandle實(shí)例最后的解析結(jié)果為REF_getStatic露该、REF_putStatic睬棚、REF_invokeStatic的方法句柄，且這個(gè)方法句柄所對(duì)應(yīng)的類未進(jìn)行初始化解幼，需先觸發(fā)其初始化抑党。

2.3 類加載器&雙親委派模型

每個(gè)類加載器，都擁有一個(gè)獨(dú)立的命名空間撵摆，它不僅用于加載類底靠，還和這個(gè)類本身一起作為在JVM中的唯一標(biāo)識(shí)。所以比較兩個(gè)類是否相等台汇，只要看它們是否由同一個(gè)類加載器加載苛骨，即使它們來源于同一個(gè)Class文件且被同一個(gè)JVM加載，只要加載它們的類加載器不同苟呐，這兩個(gè)類就必定不相等

2.3.1 類加載器

從JVM的角度痒芝，可將類加載器分為兩種：

• 啟動(dòng)類加載器

• 由C++語言實(shí)現(xiàn)，是虛擬機(jī)自身的一部分
• 負(fù)責(zé)加載存放在＜JAVA_HOME＞\lib目錄中牵素、或被-Xbootclasspath參數(shù)所指定路徑中的严衬、且可被虛擬機(jī)識(shí)別的類庫
• 無法被Java程序直接引用，如果自定義類加載器想要把加載請(qǐng)求委派給引導(dǎo)類加載器的話笆呆，可直接用null代替

• 其他類加載器：由Java語言實(shí)現(xiàn)请琳，獨(dú)立于虛擬機(jī)外部粱挡，并且全都繼承自抽象類java.lang.ClassLoader，可被Java程序直接引用俄精。常見幾種：

• 擴(kuò)展類加載器

  A.由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實(shí)現(xiàn)

  B.負(fù)責(zé)加載＜JAVA_HOME＞\lib\ext目錄中的询筏、或者被java.ext.dirs系統(tǒng)變量所指定的路徑中的所有類庫

• 應(yīng)用程序類加載器

  A.是默認(rèn)的類加載器，是ClassLoader#getSystemClassLoader()的返回值竖慧，故又稱為系統(tǒng)類加載器

  B.由sun.misc.Launcher$App-ClassLoader實(shí)現(xiàn)

  C.負(fù)責(zé)加載用戶類路徑上所指定的類庫

• 自定義類加載器：如果以上類加載起不能滿足需求嫌套，可自定義

類加載器的關(guān)系

需要注意的是：雖然數(shù)組類不通過類加載器創(chuàng)建而是由JVM直接創(chuàng)建的，但仍與類加載器有密切關(guān)系圾旨，因?yàn)?strong>數(shù)組類的元素類型最終還要靠類加載器去創(chuàng)建

2.3.2 雙親委派模型

• 定義：表示類加載器之間的層次關(guān)系
• 前提：除了頂層啟動(dòng)類加載器外踱讨，其余類加載器都應(yīng)當(dāng)有自己的父類加載器，且它們之間關(guān)系一般不會(huì)以繼承關(guān)系來實(shí)現(xiàn)砍的，而是通過組合關(guān)系來復(fù)用父加載器的代碼
• 工作過程：若一個(gè)類加載器收到了類加載的請(qǐng)求痹筛，它先會(huì)把這個(gè)請(qǐng)求委派給父類加載器，并向上傳遞廓鞠，最終請(qǐng)求都傳送到頂層的啟動(dòng)類加載器中帚稠。只有當(dāng)父加載器反饋?zhàn)约簾o法完成這個(gè)加載請(qǐng)求時(shí)，子加載器才會(huì)嘗試自己去加載
• 注意：不是一個(gè)強(qiáng)制性的約束模型诫惭，而是Java設(shè)計(jì)者推薦給開發(fā)者的一種類加載器實(shí)現(xiàn)方式
• 優(yōu)點(diǎn)：類會(huì)隨著它的類加載器一起具備帶有優(yōu)先級(jí)的層次關(guān)系翁锡，可保證Java程序的穩(wěn)定運(yùn)作蔓挖；實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單夕土，所有實(shí)現(xiàn)代碼都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()中

比如，某些類加載器要加載java.lang.Object類瘟判，最終都會(huì)委派給最頂端的啟動(dòng)類加載器去加載怨绣，這樣Object類在程序的各種類加載器環(huán)境中都是同一個(gè)類。

相反拷获，系統(tǒng)中將會(huì)出現(xiàn)多個(gè)不同的Object類篮撑，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(huì)變得一片混亂

三.課堂小測(cè)試

恭喜你匆瓜！已經(jīng)看完了前面的文章赢笨，相信你對(duì)JVM類加載機(jī)制已經(jīng)有一定深度的了解，下面驮吱，進(jìn)行一下課堂小測(cè)試茧妒，驗(yàn)證一下自己的學(xué)習(xí)成果吧！

Q1：類加載的全過程是怎樣的左冬？

Q2：什么是雙親委派模型桐筏？

Q3：String類如何被加載的

上面問題的答案，在前文都提到過拇砰，如果還不能回答出來的話梅忌，建議回顧下前文

Q4：請(qǐng)你談?wù)勵(lì)惣虞d過程狰腌，以Person a = new Person()；為例進(jìn)行說明

這道題是在拍恋客的暑假實(shí)習(xí)Tencent一面的面筋上找的琼腔，附上標(biāo)準(zhǔn)答案：類的加載過程，Person person = new Person();為例進(jìn)行說明

如果文章對(duì)您有一點(diǎn)幫助的話踱葛，希望您能點(diǎn)一下贊展姐，您的點(diǎn)贊，是我前進(jìn)的動(dòng)力

本文參考鏈接：

• 《深入理解Java虛擬機(jī)》第3版
• 理解靜態(tài)綁定與動(dòng)態(tài)綁定
• 全限定名剖毯、簡(jiǎn)單名稱和描述符是什么東西圾笨？
• 要點(diǎn)提煉| 理解JVM之類加載機(jī)制
• 深入理解jvm--Java中init和clinit區(qū)別完全解析
• 2019校招Android面試題解1.0（下篇）
• 類的加載過程，Person person = new Person();為例進(jìn)行說明
• 編譯器和運(yùn)行期
• 騰訊 暑期實(shí)習(xí) 安卓 一面二面三面 面經(jīng)分享