java類載入機制

霍丙南發表於2021-02-10
Java

java類載入機制

類是java程式語言的基本單元。java的原始碼經過編譯後生成java的位元組碼檔案（class檔案），位元組碼檔案是以二進位制的形式儲存。在執行時，這些類的位元組碼檔案會載入進入JVM的記憶體的元空間中，並且以Class<T>的形式對類進行描述。本文將詳細講解java的類載入機制。

類載入流程

  • 載入：通過classloader將位元組碼檔案以二進位制位元組流的形式讀入到記憶體中，將位元組流轉換為方法區執行時的資料結構，在記憶體中生成一個Class<T>物件對類進行描述。

  • 連結：驗證階段檢查位元組碼檔案是否符合JVM規範，準備階段為類中的靜態欄位分配記憶體並賦予初始值，解析階段將虛擬機器中常量池中的符號引用轉化為直接引用。符號引用存在於編譯生成的位元組碼中，用來描述當前類對其他類的引用。直接引用是可以是直接指向目標的指標、相對偏移量或是一個能間接定位到目標的控制程式碼。解析階段也可以在執行過程中發生，這個跟動態語言呼叫相關。

  • 初始化：初始化是類載入的最後一步，前面的類載入的過程中，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參與外，其餘動作完全由虛擬機器主導和控制。到了初始化階段，才真正開始執行類中定義的java程式程式碼。它主要是負責：初始化階段是執行類構造器（靜態程式碼塊）< clinit >()方法的過程， < clinit >()是編譯器自動收集類中所有的類變數的賦值動作、靜態程式碼塊產生的。

ClassLoader

ClassLoader顧名思義是類的載入器，類的載入要通過ClassLoader進行，ClassLoader的職責是將位元組碼檔案從磁碟或者網路中載入進JVM記憶體。同時你也可以在java程式碼中操作ClassLoader定義一些自定義的行為。ClassLoader是一個抽象基類，你可以繼承它重寫自己自定義的載入流程。一般我們的java類會通過幾個常見的類載入器載入，它們分為BootstrapClassLoader，ExtensionClassLoader，ApplicaitonClassLoader。

BootstrapClassLoader主要載入的是JVM自身需要的類，這個類載入使用C++語言實現的，是虛擬機器自身的一部分，它負責將 <JAVA_HOME>/lib路徑下的核心類庫或-Xbootclasspath引數指定的路徑下的jar包載入到記憶體中，注意必由於虛擬機器是按照檔名識別載入jar包的，如rt.jar，如果檔名不被虛擬機器識別，即使把jar包丟到lib目錄下也是沒有作用的(出於安全考慮，Bootstrap啟動類載入器只載入包名為java、javax、sun等開頭的類)。

ExtensionClassLoader是指Sun公司(已被Oracle收購)實sun.misc.Launcher$ExtClassLoader類，由Java語言實現的，是Launcher的靜態內部類，它負責載入<JAVA_HOME>/lib/ext目錄下或者由系統變數-Djava.ext.dir指定位路徑中的類庫，開發者可以直接使用標準擴充套件類載入器。

ApplicationClassLoader也稱應用程式載入器是指 Sun公司實現的sun.misc.Launcher$AppClassLoader。它負責載入系統類路徑java -classpath或-D java.class.path 指定路徑下的類庫，也就是我們經常用到的classpath路徑，開發者可以直接使用系統類載入器，一般情況下該類載入是程式中預設的類載入器，通過ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以獲取到該類載入器。

雙親委派機制

雙親委派機制是指，當一個ClassLoader嘗試載入一個類時，它並不會自己載入，而是將載入任務向上委託給父載入器載入。每個ClassLoader中都有一個parent屬性，用來儲存父載入器的引用。注意：父載入器並不是父類載入器，它們之間沒有類之間的繼承關係。雙親委派機制的載入流程為：在類載入器快取中查詢，此類是否已經載入，若已載入，則直接由此載入器載入，若沒有則向上委託給父載入器載入。若最上層父載入器也未載入，則向下委託給子載入器載入。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
{
  synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
    // 首先檢查類是否已經載入過
    Class<?> c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
      // 沒有載入過，則委託父載入器載入
      long t0 = System.nanoTime();
      try {
        if (parent != null) {
          // 若有父載入器，則委託父載入載入
          c = parent.loadClass(name, false);
        } else {
          // 若沒有父載入器（最上層父載入器也未載入此類），則委託BootStrap載入器載入
          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.
        // 這種情況代表Bootstrap載入器也未載入此類，則委託給本載入器載入。
        long t1 = System.nanoTime();
        c = findClass(name);
        // this is the defining class loader; record the stats
        PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
        PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
        PerfCounter.getFindClasses().increment();
      }
    }
    if (resolve) {
      resolveClass(c);
    }
    return c;
  }

測試雙親委派機制

  • 新建一個測試用的類

    package misc;

public class Model
{
    static
    {
        System.out.println("類被載入了");
    }

    public static void sayHello()
    {
        System.out.println("hello");
    }
}

  • 自己定義一個類載入器

    public class MyClassLoader extends ClassLoader
{
    private final String classPath;

    public MyClassLoader(String classPath)
    {
        this.classPath = classPath;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException
    {
      	// 如果使用MyClassLoader載入，那麼這句話將會輸出至控制檯
        System.out.println("使用MyClassLoader載入");
        var classFilePath = classPath + "/" + name.replace(".","/").concat(".class");
        var bao = new ByteArrayOutputStream();
        var readByte = 1;
        try
        {
            var fis = new FileInputStream(classFilePath);
            while ((readByte = fis.read()) != -1)
            {
                bao.write(readByte);
            }
            var bytesArray = bao.toByteArray();
            return defineClass(name, bytesArray, 0, bytesArray.length);
        } catch (IOException ex)
        {
            ex.printStackTrace();
            throw new ClassNotFoundException(ex.getMessage());
        }
    }
}

  • 測試程式碼

    public static void loadClassViaMyClassLoader() throws Exception
{
    var classLoader = new MyClassLoader("/Users/huobingnan/code/java/misc/out/production/misc");
    var modelClass = classLoader.loadClass("misc.Model");
  	System.out.println("Model的類載入器是：" + modelClass.getClassLoader());
    var sayHelloMethod = modelClass.getDeclaredMethod("sayHello");
    sayHelloMethod.invoke(null);
}

  • 測試輸出

    Model的類載入器是：jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@7c53a9eb
類被載入了
hello

    通過輸出可以發現，Model類的載入並未使用我們自定義的MyClassLoader，而是使用了JDK中的應用程式類載入器，這就是雙親委派機制的體現，你也可以對上述程式碼進行DEBUG執行，從中便可得知類載入的途徑是

    MyClassLoader -> AppClassLoader -> PlatformClassLoader -> BootstrapClassLoader -> PlatformClassLoader -> AppClassLoader 。注意：不同的JDK可能載入器的名稱會有所不同，筆者這裡使用的是zulu-jdk-arm64。

打破雙親委派機制

通過上文的測試用例可以得知，儘管我們自定義了ClassLoader，但是由於雙親委派機制的存在，位元組碼檔案沒有使用我們自定義的ClassLoader載入。那麼如何強制位元組碼檔案使特定ClassLoader載入呢？我們可以通過重寫CLassLoader.loadClass(String name, boolean resovle)方法進行。例如下面的程式碼：

public class MyClassLoader extends ClassLoader
{
    private final String classPath;

    public MyClassLoader(String classPath)
    {
        this.classPath = classPath;
    }

    @Override
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
    {
        if (name.startsWith("misc"))
        {
          	// 如果包名以misc開頭，我們使用MyClassLoader載入
            return findClass(name); 
        }
        return super.loadClass(name, resolve);
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException
    {
        System.out.println("使用MyClassLoader載入");
        var classFilePath = classPath + "/" + name.replace(".", "/").concat(".class");
        var bao = new ByteArrayOutputStream();
        var readByte = 1;
        try
        {
            var fis = new FileInputStream(classFilePath);
            while ((readByte = fis.read()) != -1)
            {
                bao.write(readByte);
            }
            var bytesArray = bao.toByteArray();
            return defineClass(name, bytesArray, 0, bytesArray.length);
        } catch (IOException ex)
        {
            ex.printStackTrace();
            throw new ClassNotFoundException(ex.getMessage());
        }
    }
}

更改之後，再次使用上文中的測試程式碼進行測試：

使用MyClassLoader載入
Model的類載入器是：misc.MyClassLoader@d041cf
類被載入了
hello

這裡可以看到，通過重寫loadClass方法，我們可以自定義類載入行為，打破雙親委派機制。

打破雙親委派機制帶來的問題

雖然我們自定義了類載入，並且打破了雙親委派機制，使得我們可以自定義類載入器載入類的行為。但是打破雙親委派機制後會帶一個問題：

 public static void testClassLoaderCastBehavior() throws Exception
 {
   var classLoader = new MyClassLoader("/Users/huobingnan/code/java/misc/lib");
   var modelClass = classLoader.loadClass("misc.Model");
   var object = modelClass.getConstructor().newInstance();
   var model = (Model)object;
 }

使用MyClassLoader載入
類被載入了
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: class misc.Model cannot be cast to class misc.Model (misc.Model is in unnamed module of loader misc.MyClassLoader @d041cf; misc.Model is in unnamed module of loader 'app')
	at misc.ClassLoaderTest.testClassLoaderCastBehavior(ClassLoaderTest.java:19)
	at misc.ClassLoaderTest.main(ClassLoaderTest.java:85)

使用自定義類載入器，在檔案系統中載入了一個類，這個類與我們專案類路徑中的Model類定義完全一致，但是他們之間並不能進行強制型別轉換。這也就是說，雖然我們可以載入這個類，但是在使用的時候只能通過反射的方式進行。我們知道通過反射對一個類進行操作會帶來隱患，而且對於使用者來說，這樣的呼叫操作並不直觀。

同時，這種行為也限制了我們在專案中保留介面定義的情況下，無法通過類載入器的載入實現類並強制轉換使用。

如果想要通過介面的形式進行上述操作需要藉助java的SPI機制。

參考文獻

  1. 張善香. 解析Java虛擬機器開發：權衡優化，高效和安全的最優方案[M]. 北京: 清華大學出版社: 2013.
  2. java類載入機制（全套）https://juejin.cn/post/6844903564804882445
  3. Java SPI機制 https://zhuanlan.zhihu.com/p/28909673

相關文章