彻底搞懂JVM类加载器基本概念

jiezi

5 年前

在 Java 面试中，在考察完项目经验、基础技术后，我会根据候选人的特点进行知识深度的考察，如果候选人简历上有写 JVM（Java 虚拟机）相关的东西，那么我常常会问一些 JVM 的问题。JVM 的类加载机制是一个很经典的知识点，围绕这个知识点可以有下面这些难度不同的问题。

简单讲下 JVM 中的类加载过程
JVM 中的类加载和卸载的时机？
如何理解 JVM 中不同类加载器的概念和作用？
简单讲下 JVM 中的双亲委派模型？
什么情况下会破坏双亲委派模型？为什么？可否举个例子？
Tomcat 中的类加载机制有了解吗？为什么这么设计？
实际开发中有遇到哪些类加载器相关的问题？你又是如何解决的？
JVM 之上的弱类型语言例如 Groovy 是如何实现？简单讲下动态类加载机制？

在接下来的几篇文章，我将跟读者一起重新梳理一遍类加载器的相关知识，争取能够妥善解答上面列出的这些问题。

JVM 是虚拟机的一种，它的指令集语言是字节码，字节码构成的文件是 class 文件。平常我们写的 Java 文件，需要编译为 class 文件才能交给 JVM 运行。可以这么说：C 语言代码——> 二进制文件——> 计算机硬件，就相当于 Java 代码——> 字节码文件——>JVM。JVM 将指定的 class 文件读取到内存里，并运行该 class 文件里的 Java 程序的过程，就称之为 类的加载 ；反之，将某个 class 文件的运行时数据从 JVM 中移除的过程，就称之为 类的卸载。

class 文件的运行时数据就是 C ++ 对象，也称为 kclass 对象，这些运行时数据在 JDK7 之前是放在永久代（PermGen），JDK8 之后则放在元空间（Metaspace）。

Java 类从被虚拟机加载开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7 个阶段；其中验证、准备和解析又统称为连接（Linking）阶段。

虚拟机规范并未严格规定类加载的时机，跟具体的 JVM 虚拟机有关。类加载的最佳时机是解析 Java 字节码类文件中常量池符号的时候，Class.forName()、ClassLoader.loadClass()、反射 API 和 JNI_FindClass 都可以触发类加载，Hot JVM 自身启动的时候也会触发类加载。

通过 JVM 参数中加-verbose:class，可以在应用启动的时候打印类加载的过程，如下图所示：

初始化这个阶段，JVM 虚拟机给出了 5 种必须对类进行“初始化”的情况

使用 new 关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段的时候、调用一个类的静态方法的时候；
使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则要先触发其初始化；
当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有被初始化，则要先初始化其父类；
当虚拟机启动时，用户需要指定一个执行的主类（包含 main 方法的那个类），则虚拟机会优先初始化这个主类；
在 JDK1.7 以后，动态语言支持的时候，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的结果是要执行第 1 种情况的操作，则也要进行初始化。

类的卸载跟采用的垃圾收集算法有关，在 CMS 中有两种方法卸载不必要的类，一种是等到元空间（Metaspace）满了的时候触发 FGC，另一种是使用跟 CMS 并发收集算法类似的方式，不过对于元空间的阈值和触发 CMS 并发收集的阈值是独立的。更具体的可以参考之前的文章：CMS 学习笔记。在这里，我们只需要记住，JVM 中一个类的卸载要满足下面这 3 个条件：

该类所有的实例对象都已被回收；
该类的类加载器对象已经被回收；
该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

类的加载是需要类加载器完成的，但是类加载器在 JVM 中的作用可不止这些。在 JVM 中，一个类的唯一性是需要这个类本身和类加载一起才能确定的，每个类加载器都有一个独立的命名空间。

不同的类加载器，即使是同一个类字节码文件，最后再 JVM 里的类对象也不是同一个，下面的代码展示了这个结论：

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);
    }
}

上述代码的运行结果是：

可以看出，代码中使用自定义类加载器（myLoader）加载的 jvm.ClassLoaderTest 类和通过应用程序类加载器加载的类不是同一个类。综上，类加载器在 JVM 中的作用有：

将类的字节码文件从 JVM 外部加载到内存中
确定一个类的唯一性
提供隔离特性，为中间件开发者提供便利，例如 Tomcat

今天的文章，应该可以回答文章开始提出的前两个问题，下篇再会。

https://jrebel.com/rebellabs/do-you-really-get-java-classloaders/
https://stackoverflow.com/questions/2424604/what-is-a-java-classloader
https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/lang/ClassLoader.html
https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-classloader/index.html
https://blogs.oracle.com/sundararajan/understanding-java-class-loading
《深入理解 Java 虚拟机》
《揭秘 Java 虚拟机》
《Java 性能权威指南》

本号专注于后端技术、JVM 问题排查和优化、Java 面试题、个人成长和自我管理等主题，为读者提供一线开发者的工作和成长经验，期待你能在这里有所收获。

彻底搞懂JVM类加载器基本概念

写在前面

基本概念篇

类的加载和卸载

类的生命周期

类的加载的时机

类的卸载时机

类加载器的作用

总结

参考资料