JVM 第三篇：Java 類載入機制

極客挖掘機發表於2020-10-11
JVMJava

本文內容過於硬核，建議有 Java 相關經驗人士閱讀。

1. 什麼是類的載入？

類的載入指的是將類的 .class 檔案中的二進位制資料讀入到記憶體中，將其放在執行時資料區的方法區內，然後在堆區建立一個 java.lang.Class 物件，用來封裝類在方法區內的資料結構。類的載入的最終產品是位於堆區中的 Class 物件， Class 物件封裝了類在方法區內的資料結構，並且向 Java 程式設計師提供了訪問方法區內的資料結構的介面。

類載入器並不需要等到某個類被 「首次主動使用」 時再載入它， JVM 規範允許類載入器在預料某個類將要被使用時就預先載入它，如果在預先載入的過程中遇到了 .class 檔案缺失或存在錯誤，類載入器必須在程式首次主動使用該類時才報告錯誤（ LinkageError 錯誤）如果這個類一直沒有被程式主動使用，那麼類載入器就不會報告錯誤。

載入.class檔案的方式
– 從本地系統中直接載入
– 通過網路下載.class檔案
– 從zip，jar等歸檔檔案中載入.class檔案
– 從專有資料庫中提取.class檔案
– 將Java原始檔動態編譯為.class檔案

2. 類的生命週期

一個型別從被載入到虛擬機器記憶體中開始，到解除安裝出記憶體為止，它的整個生命週期將會經歷載入（Loading）、驗證（Verification）、準備（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和解除安裝（Unloading）七個階段，其中驗證、準備、解析三個部分統稱為連線（Linking）。

載入、驗證、準備、初始化和解除安裝這五個階段的順序是確定的，型別的載入過程必須按照這種順序按部就班地開始，而解析階段則不一定：它在某些情況下可以在初始化階段之後再開始，這是為了支援Java語言的執行時繫結特性（也稱為動態繫結或晚期繫結）。

2.1 載入（Loading）

載入時類載入過程的第一個階段，在載入階段，虛擬機器需要完成以下三件事情：

  1. 通過一個類的全限定名來獲取其定義的二進位制位元組流。

  2. 將這個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代表這個類的 java.lang.Class 物件，作為方法區這個類的各種資料的訪問入口。

相對於類載入的其他階段而言，載入階段（準確地說，是載入階段獲取類的二進位制位元組流的動作）是可控性最強的階段，因為開發人員既可以使用系統提供的類載入器來完成載入，也可以自定義自己的類載入器來完成載入。

載入階段完成後，虛擬機器外部的 二進位制位元組流就按照虛擬機器所需的格式儲存在方法區之中，而且在 Java 堆中也建立一個 java.lang.Class 類的物件，這樣便可以通過該物件訪問方法區中的這些資料。

2.2 驗證（Verification）

驗證是連線階段的第一步，這一階段的目的是確保 Class 檔案的位元組流中包含的資訊符合「Java虛擬機器規範」的全部約束要求，保證這些資訊被當作程式碼執行後不會危害虛擬機器自身的安全。

驗證是連線階段的第一步，這一階段的目的是為了確保 Class 檔案的位元組流中包含的資訊符合當前虛擬機器的要求，並且不會危害虛擬機器自身的安全。驗證階段大致會完成4個階段的檢驗動作：

  1. 檔案格式驗證: 驗證位元組流是否符合 Class 檔案格式的規範；例如：是否以 0xCAFEBABE 開頭、主次版本號是否在當前虛擬機器的處理範圍之內、常量池中的常量是否有不被支援的型別。
  2. 後設資料驗證:對位元組碼描述的資訊進行語義分析（注意：對比 javac 編譯階段的語義分析），以保證其描述的資訊符合 Java 語言規範的要求；例如：這個類是否有父類，除了 java.lang.Object 之外。
  3. 位元組碼驗證: 通過資料流和控制流分析，確定程式語義是合法的、符合邏輯的。
  4. 符號引用驗證: 確保解析動作能正確執行。

驗證階段是非常重要的，但不是必須的，它對程式執行期沒有影響，如果所引用的類經過反覆驗證，那麼可以考慮採用 -Xverifynone 引數來關閉大部分的類驗證措施，以縮短虛擬機器類載入的時間。

2.3 準備（Preparation）

準備階段是正式為類變數分配記憶體並設定類變數初始值的階段，這些記憶體都將在方法區中分配。對於該階段有以下幾點需要注意：

  1. 這時候進行記憶體分配的僅包括類變數（static），而不包括例項變數，例項變數會在物件例項化時隨著物件一塊分配在 Java 堆中。
  2. 這裡所設定的初始值通常情況下是資料型別預設的零值（如 0 、 0L 、 null 、 false 等），而不是被在 Java 程式碼中被顯式地賦予的值。

2.4 初始化（Initialization）

類的初始化階段是類載入過程的最後一個步驟，之前介紹的幾個類載入的動作裡，除了在載入階段使用者應用程式可以通過自定義類載入器的方式區域性參與外，其餘動作都完全由 Java 虛擬機器來主導控制。直到初始化階段， Java 虛擬機器才真正開始執行類中編寫的 Java 程式程式碼，將主導權移交給應用程式。

在 Java 中對類變數進行初始值設定有兩種方式：

  1. 宣告類變數是指定初始值。
  2. 使用靜態程式碼塊為類變數指定初始值。

3. 類載入器

類載入器就是負責載入所有的類，將其載入記憶體中，生成一個 java.lang.Class 例項。一旦一個類被載入到 JVM 中之後，就不會再次載入了。

  • 啟動類載入器（Bootstrap ClassLoader）：其負責載入 Java 的核心類，比如 String 、 System 這些類。
  • 擴充類載入器（Extension ClassLoader）：其負責載入 JRE 的擴充類庫。
  • 系統類載入器（System ClassLoader）：其負責載入 CLASSPATH 環境變數所指定的 JAR 包和類路徑。
  • 使用者類載入器：使用者自定義的載入器，以類載入器為父類。

一個簡單的小栗子：

public static void main(String[] args) {
    ClassLoader loader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
    System.out.println(loader);
    System.out.println(loader.getParent());
    System.out.println(loader.getParent().getParent());
}

輸出結果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b6d3586
null

為什麼根類載入器為 NULL ?

啟動類載入器（Bootstrap Loader）並不是 Java 實現的，而是使用 C 語言實現的，找不到一個確定的返回父 Loader 的方式，於是就返回 null 。

JVM 類載入機制

  1. 全盤負責：當一個類載入器負責載入某個 Class 時，該 Class 所依賴的和引用的其他 Class 也將由該類載入器負責載入，除非顯示使用另外一個類載入器來載入。
  2. 父類委託：先讓父類載入器試圖載入該類，只有在父類載入器無法載入該類時才嘗試從自己的類路徑中載入該類。
  3. 快取機制，快取機制將會保證所有載入過的 Class 都會被快取，當程式中需要使用某個 Class 時，類載入器先從快取區尋找該 Class ，只有快取區不存在，系統才會讀取該類對應的二進位制資料，並將其轉換成 Class 物件，存入快取區。這就是為什麼修改了 Class 後，必須重啟 JVM ，程式的修改才會生效。

4. 雙親委派模型

雙親委派模型的工作流程是：如果一個類載入器收到了類載入的請求，它首先不會自己去嘗試載入這個類，而是把請求委託給父載入器去完成，依次向上，因此，所有的類載入請求最終都應該被傳遞到頂層的啟動類載入器中，只有當父載入器在它的搜尋範圍中沒有找到所需的類時，即無法完成該載入，子載入器才會嘗試自己去載入該類。

雙親委派機制：

  1. 當 AppClassLoader 載入一個 class 時，它首先不會自己去嘗試載入這個類，而是把類載入請求委派給父類載入器 ExtClassLoader 去完成。
  2. 當 ExtClassLoader 載入一個 class 時，它首先也不會自己去嘗試載入這個類，而是把類載入請求委派給 BootStrapClassLoader 去完成。
  3. 如果 BootStrapClassLoader 載入失敗（例如在 $JAVA_HOME/jre/lib 裡未查詢到該 class ），會使用 ExtClassLoader 來嘗試載入。
  4. 若 ExtClassLoader 也載入失敗，則會使用 AppClassLoader 來載入，如果 AppClassLoader 也載入失敗，則會報出異常 ClassNotFoundException 。

以下為 ClassLoader#loadClass 的原始碼， JDK 版本為 1.8.0_221 。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 首先判斷該型別是否已經被載入
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            // 如果沒有被載入，就委託給父類載入或者委派給啟動類載入器載入
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    // 如果存在父類載入器，就委派給父類載入器載入
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 如果不存在父類載入器，就檢查是否是由啟動類載入器載入的類，通過呼叫本地方法 native Class findBootstrapClass(String name)
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }

            if (c == null) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.
                long t1 = System.nanoTime();
                c = findClass(name);

                // this is the defining class loader; record the stats
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

雙親委派模型是為了防止記憶體中出現多份同樣的位元組碼，保證程式穩定的執行。

5. 自定義類載入器

在最開始，我想先介紹下自定義類載入器的適用場景：

  1. 加密： Java 程式碼可以輕易的被反編譯，如果需要把程式碼進行加密以防止反編譯，可以先將編譯後的程式碼用某種加密演算法加密，這樣加密後的類就不能再用 Java 的 ClassLoader 去載入類了，這時就需要自定義 ClassLoader 在載入類的時候先解密類，然後再載入。
  2. 從非標準的來源載入程式碼：如果我們的位元組碼是放在資料庫、甚至是在雲端，就可以自定義類載入器，從指定的來源載入類。

一個小案例，首先我們建立一個需要載入的目標類：

public class ClassLoaderTest {
    public void hello() {
        System.out.println("我是由 " + getClass().getClassLoader().getClass() + " 載入的");
    }
}

這個類先進行編譯，編譯後的 class 我放到了 D 盤的根目錄，然後刪除原本在專案中的 class 檔案，如果不刪除的話，通過前面的雙親委派模型，我們會知道這個 class 會被 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 進行載入。

然後我們定義一個自己的載入類：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    public MyClassLoader(){}

    public MyClassLoader(ClassLoader parent){
        super(parent);
    }

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        File file = new File("D:\\ClassLoaderTest.class");
        try{
            byte[] bytes = getClassBytes(file);
            //defineClass方法可以把二進位制流位元組組成的檔案轉換為一個java.lang.Class
            Class<?> c = this.defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
            return c;
        }
        catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return super.findClass(name);
    }

    private byte[] getClassBytes(File file) throws Exception {
        // 這裡要讀入.class的位元組，因此要使用位元組流
        FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
        FileChannel fc = fis.getChannel();
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        WritableByteChannel wbc = Channels.newChannel(baos);
        ByteBuffer by = ByteBuffer.allocate(1024);

        while (true){
            int i = fc.read(by);
            if (i == 0 || i == -1)
                break;
            by.flip();
            wbc.write(by);
            by.clear();
        }
        fis.close();
        return baos.toByteArray();
    }

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException {
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
        Class clazz = classLoader.loadClass("com.geekdigging.lesson03.classloader.ClassLoaderTest");
        Object obj = clazz.newInstance();
        Method helloMethod = clazz.getDeclaredMethod("hello", null);
        helloMethod.invoke(obj, null);
    }
}

最後列印結果：

我是由 class com.geekdigging.lesson03.classloader.MyClassLoader 載入的

參考

https://www.cnblogs.com/ityouknow/p/5603287.html

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