徹底搞懂JVM類載入器：基本概念
寫在前面
在Java面試中，在考察完專案經驗、基礎技術後，我會根據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虛擬機器器）相關的東西，那麼我常常會問一些JVM的問題。JVM的類載入機制是一個很經典的知識點，圍繞這個知識點可以有下面這些難度不同的問題。
- 簡單講下JVM中的類載入過程
- JVM中的類載入和解除安裝的時機？
- 如何理解JVM中不同類載入器的概念和作用？
- 簡單講下JVM中的雙親委派模型？
- 什麼情況下會破壞雙親委派模型？為什麼？可否舉個例子？
- Tomcat中的類載入機制有了解嗎？為什麼這麼設計？
- 實際開發中有遇到哪些類載入器相關的問題？你又是如何解決的？
- JVM之上的弱型別語言例如Groovy是如何實現？簡單講下動態類載入機制？
在接下來的幾篇文章，我將跟讀者一起重新梳理一遍類載入器的相關知識，爭取能夠妥善解答上面列出的這些問題。
基本概念篇
類的載入和解除安裝
JVM是虛擬機器器的一種，它的指令集語言是位元組碼，位元組碼構成的檔案是class檔案。平常我們寫的Java檔案，需要編譯為class檔案才能交給JVM執行。可以這麼說：C語言程式碼——>二進位制檔案——>計算機硬體，就相當於Java程式碼——>位元組碼檔案——>JVM。JVM將指定的class檔案讀取到記憶體裡，並執行該class檔案裡的Java程式的過程，就稱之為類的載入
class檔案的執行時資料就是C++物件，也稱為kclass物件，這些執行時資料在JDK7之前是放在永久代（PermGen），JDK8之後則放在元空間（Metaspace）。
類的生命週期
Java類從被虛擬機器器載入開始，到解除安裝出記憶體為止，它的整個生命週期包括：載入（Loading）、驗證（Verification）、準備（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和解除安裝（Unloading）7個階段；其中驗證、準備和解析又統稱為連線（Linking）階段。
類的載入的時機
虛擬機器器規範並未嚴格規定類載入的時機，跟具體的JVM虛擬機器器有關。類載入的最佳時機是解析Java位元組碼類檔案中常量池符號的時候，Class.forName()、ClassLoader.loadClass()、反射API和JNI_FindClass都可以觸發類載入，Hot JVM自身啟動的時候也會觸發類載入。
通過JVM引數中加-verbose:class，可以在應用啟動的時候列印類載入的過程，如下圖所示：
初始化這個階段，JVM虛擬機器器給出了5種必須對類進行“初始化”的情況
- 使用new關鍵字例項化物件的時候、讀取或設定一個類的靜態欄位的時候、呼叫一個類的靜態方法的時候；
- 使用java.lang.reflect包的方法對類進行反射呼叫的時候，如果類沒有進行過初始化，則要先觸發其初始化；
- 當初始化一個類的時候，如果發現其父類還沒有被初始化，則要先初始化其父類；
- 當虛擬機器器啟動時，使用者需要指定一個執行的主類（包含main方法的那個類），則虛擬機器器會優先初始化這個主類；
- 在JDK1.7以後，動態語言支援的時候，如果一個java.lang.invoke.MethodHandle例項最後的結果是要執行第1種情況的操作，則也要進行初始化。
類的解除安裝時機
類的解除安裝跟採用的垃圾收集演演算法有關，在CMS中有兩種方法解除安裝不必要的類，一種是等到元空間（Metaspace）滿了的時候觸發FGC，另一種是使用跟CMS併發收集演演算法類似的方式，不過對於元空間的閾值和觸發CMS併發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。在這裡，我們只需要記住，JVM中一個類的解除安裝要滿足下面這3個條件：
- 該類所有的例項物件都已被回收；
- 該類的類載入器物件已經被回收；
- 該類對應的java.lang.Class物件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。
類載入器的作用
類的載入是需要類載入器完成的，但是類載入器在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載入一起才能確定的，每個類載入器都有一個獨立的名稱空間。
不同的類載入器，即使是同一個類位元組碼檔案，最後再JVM裡的類物件也不是同一個，下面的程式碼展示了這個結論：
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,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);
}
}複製程式碼上述程式碼的執行結果是：
可以看出，程式碼中使用自定義類載入器（myLoader）載入的jvm.ClassLoaderTest類和通過應用程式類載入器載入的類不是同一個類。綜上，類載入器在JVM中的作用有：
- 將類的位元組碼檔案從JVM外部載入到記憶體中
- 確定一個類的唯一性
- 提供隔離特性，為中介軟體開發者提供便利，例如Tomcat
總結
今天的文章，應該可以回答文章開始提出的前兩個問題，下篇再會。
參考資料
- jrebel.com/rebellabs/d…
- stackoverflow.com/questions/2…
- docs.oracle.com/javase/9/do…
- www.ibm.com/developerwo…
- blogs.oracle.com/sundararaja…
- 《深入理解Java虛擬機器器》
- 《揭祕Java虛擬機器器》
- 《Java效能權威指南》
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本號專注於後端技術、JVM問題排查和優化、Java面試題、個人成長和自我管理等主題，為讀者提供一線開發者的工作和成長經驗，期待你能在這裡有所收穫。
