一道面試題搞懂JVM類載入機制

有這樣一道面試題：

class Singleton{
    private static Singleton singleton = new Singleton();
    public static int value1;
    public static int value2 = 0;

    private Singleton(){
        value1++;
        value2++;
    }

    public static Singleton getInstance(){
        return singleton;
    }

}

class Singleton2{
    public static int value1;
    public static int value2 = 0;
    private static Singleton2 singleton2 = new Singleton2();

    private Singleton2(){
        value1++;
        value2++;
    }

    public static Singleton2 getInstance2(){
        return singleton2;
    }

}

public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        System.out.println("Singleton1 value1:" + singleton.value1);
        System.out.println("Singleton1 value2:" + singleton.value2);

        Singleton2 singleton2 = Singleton2.getInstance2();
        System.out.println("Singleton2 value1:" + singleton2.value1);
        System.out.println("Singleton2 value2:" + singleton2.value2);
    }

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說出執行的結果：
Singleton1 value1 : 1
Singleton1 value2 : 0
Singleton2 value1 : 1
Singleton2 value2 : 1

稍後會帶來分析。

一 類載入機制

JVM類載入分為5個過程：載入，驗證，準備，解析，初始化，使用，解除安裝，如下圖所示：

下面來看看載入，驗證，準備，解析，初始化這5個過程的具體動作。

1.1 載入

載入主要是將.class檔案（並不一定是.class。可以是ZIP包，網路中獲取）中的二進位制位元組流讀入到JVM中。
在載入階段，JVM需要完成3件事：
1）通過類的全限定名獲取該類的二進位制位元組流；
2）將位元組流所代表的靜態儲存結構轉化為方法區的執行時資料結構；
3）在記憶體中生成一個該類的java.lang.Class物件，作為方法區這個類的各種資料的訪問入口。

1.2 連線

1.2.1 驗證

驗證是連線階段的第一步，主要確保載入進來的位元組流符合JVM規範。
驗證階段會完成以下4個階段的檢驗動作：
1）檔案格式驗證
2）後設資料驗證(是否符合Java語言規範)
3）位元組碼驗證（確定程式語義合法，符合邏輯）
4）符號引用驗證（確保下一步的解析能正常執行）

1.2.2 準備

準備是連線階段的第二步，主要為靜態變數在方法區分配記憶體，並設定預設初始值。

1.2.3 解析

解析是連線階段的第三步，是虛擬機器將常量池內的符號引用替換為直接引用的過程。

1.3 初始化

初始化階段是類載入過程的最後一步，主要是根據程式中的賦值語句主動為類變數賦值。
注：
1）當有父類且父類為初始化的時候，先去初始化父類；
2）再進行子類初始化語句。

什麼時候需要對類進行初始化？
1）使用new該類例項化物件的時候；
2）讀取或設定類靜態欄位的時候（但被final修飾的欄位，在編譯器時就被放入常量池的靜態欄位除外static final）；
3）呼叫類靜態方法的時候；
4）使用反射Class.forName(“xxxx”)對類進行反射呼叫的時候，該類需要初始化；
5） 初始化一個類的時候，有父類，先初始化父類（注：1. 介面除外，父介面在呼叫的時候才會被初始化；2.子類引用父類靜態欄位，只會引發父類初始化）；
6） 被標明為啟動類的類（即包含main()方法的類）要初始化；
7）當使用JDK1.7的動態語言支援時，如果一個java.invoke.MethodHandle例項最後的解析結果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法控制程式碼，並且這個方法控制程式碼所對應的類沒有進行過初始化，則需要先觸發其初始化。

以上情況稱為對一個類進行主動引用，且有且只要以上幾種情況需要對類進行初始化。

再回過頭來分析一開始的面試題：
Singleton輸出結果：1 0
原因：

1 首先執行main中的Singleton singleton = Singleton.getInstance();
2 類的載入：載入類Singleton
3 類的驗證
4 類的準備：為靜態變數分配記憶體，設定預設值。這裡為singleton(引用型別)設定為null,value1,value2（基本資料型別）設定預設值0
5 類的初始化（按照賦值語句進行修改）：
執行private static Singleton singleton = new Singleton();
執行Singleton的構造器：value1++;value2++; 此時value1，value2均等於1
執行
public static int value1;
public static int value2 = 0;
此時value1=1，value2=0

Singleton2輸出結果：1 1
原因：

1 首先執行main中的Singleton2 singleton2 = Singleton2.getInstance2();
2 類的載入：載入類Singleton2
3 類的驗證
4 類的準備：為靜態變數分配記憶體，設定預設值。這裡為value1,value2（基本資料型別）設定預設值0,singleton2(引用型別)設定為null,
5 類的初始化（按照賦值語句進行修改）：
執行
public static int value2 = 0;
此時value2=0(value1不變，依然是0);
執行
private static Singleton singleton = new Singleton();
執行Singleton2的構造器：value1++;value2++;
此時value1，value2均等於1,即為最後結果

二 類載入器

類載入器實現的功能是即為載入階段獲取二進位制位元組流的時候。

JVM提供了以下3種系統的類載入器：

• 啟動類載入器（Bootstrap ClassLoader）：最頂層的類載入器，負責載入 JAVA_HOME\lib 目錄中的，或通過-Xbootclasspath引數指定路徑中的，且被虛擬機器認可（按檔名識別，如rt.jar）的類。
• 擴充套件類載入器(Extension ClassLoader)：負責載入 JAVA_HOME\lib\ext 目錄中的，或通過java.ext.dirs系統變數指定路徑中的類庫。
• 應用程式類載入器(Application ClassLoader)：也叫做系統類載入器，可以通過getSystemClassLoader()獲取，負責載入使用者路徑（classpath）上的類庫。如果沒有自定義類載入器，一般這個就是預設的類載入器。

類載入器之間的層次關係如下：

照片來源：http://www.importnew.com/25295.html

類載入器之間的這種層次關係叫做雙親委派模型。
雙親委派模型要求除了頂層的啟動類載入器（Bootstrap ClassLoader）外，其餘的類載入器都應當有自己的父類載入器。這裡的類載入器之間的父子關係一般不是以繼承關係實現的，而是用組合實現的。

雙親委派模型的工作過程

如果一個類接受到類載入請求，他自己不會去載入這個請求，而是將這個類載入請求委派給父類載入器，這樣一層一層傳送，直到到達啟動類載入器（Bootstrap ClassLoader）。
只有當父類載入器無法載入這個請求時，子載入器才會嘗試自己去載入。

雙親委派模型的程式碼實現

雙親委派模型的程式碼實現集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法當中。
1）首先檢查類是否被載入，沒有則呼叫父類載入器的loadClass()方法；
2）若父類載入器為空，則預設使用啟動類載入器作為父載入器；
3）若父類載入失敗，丟擲ClassNotFoundException 異常後，再呼叫自己的findClass() 方法。

loadClass原始碼如下：

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    //1 首先檢查類是否被載入
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            if (parent != null) {
             //2 沒有則呼叫父類載入器的loadClass()方法；
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
            //3 若父類載入器為空，則預設使用啟動類載入器作為父載入器；
                c = findBootstrapClass0(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
           //4 若父類載入失敗，丟擲ClassNotFoundException 異常後
            c = findClass(name);
        }
    }
    if (resolve) {
        //5 再呼叫自己的findClass() 方法。
        resolveClass(c);
    }
    return c;
}

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破壞雙親委派模型

雙親委派模型很好的解決了各個類載入器載入基礎類的統一性問題。即越基礎的類由越上層的載入器進行載入。
若載入的基礎類中需要回撥使用者程式碼，而這時頂層的類載入器無法識別這些使用者程式碼，怎麼辦呢？這時就需要破壞雙親委派模型了。
下面介紹兩個例子來講解破壞雙親委派模型的過程。

1. JNDI破壞雙親委派模型
   JNDI是Java標準服務，它的程式碼由啟動類載入器去載入。但是JNDI需要回撥獨立廠商實現的程式碼，而類載入器無法識別這些回撥程式碼（SPI）。
   為了解決這個問題，引入了一個執行緒上下文類載入器。 可通過Thread.setContextClassLoader()設定。
   利用執行緒上下文類載入器去載入所需要的SPI程式碼，即父類載入器請求子類載入器去完成類載入的過程，而破壞了雙親委派模型。

2. Spring破壞雙親委派模型
   Spring要對使用者程式進行組織和管理，而使用者程式一般放在WEB-INF目錄下，由WebAppClassLoader類載入器載入，而Spring由Common類載入器或Shared類載入器載入。
   那麼Spring是如何訪問WEB-INF下的使用者程式呢？
   使用執行緒上下文類載入器。 Spring載入類所用的classLoader都是通過Thread.currentThread().getContextClassLoader()獲取的。當執行緒建立時會預設建立一個AppClassLoader類載入器（對應Tomcat中的WebAppclassLoader類載入器）： setContextClassLoader(AppClassLoader)。
   利用這個來載入使用者程式。即任何一個執行緒都可通過getContextClassLoader()獲取到WebAppclassLoader。

三 附上Tomcat類載入架構：

（圖片來源：http://lib.csdn.net/article/java/60356）
Tomcat目錄下有4組目錄：

• /common目錄下：類庫可以被Tomcat和Web應用程式共同使用；由 Common ClassLoader類載入器載入目錄下的類庫；
• /server目錄：類庫只能被Tomcat可見；由 Catalina ClassLoader類載入器載入目錄下的類庫；
• /shared目錄：類庫對所有Web應用程式可見，但對Tomcat不可見；由 Shared ClassLoader類載入器載入目錄下的類庫；
• /WebApp/WEB-INF目錄：僅僅對當前web應用程式可見。由 WebApp ClassLoader類載入器載入目錄下的類庫；
• 每一個JSP檔案對應一個JSP類載入器。

參考：《深入理解Java虛擬機器》
MyBlog：https://nomico271.github.io/2017/07/07/JVM%E7%B1%BB%E5%8A%A0%E8%BD%BD%E6%9C%BA%E5%88%B6/
2017/07/05 In NJ