彻底搞懂JVM类加载器：基本概念

左手的ㄟ右手 2021-10-01 08:54 293阅读 0赞

## 写在前面 ##

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。

1.  简单讲下JVM中的类加载过程
2.  JVM中的类加载和卸载的时机？
3.  如何理解JVM中不同类加载器的概念和作用？
4.  简单讲下JVM中的双亲委派模型？
5.  什么情况下会破坏双亲委派模型？为什么？可否举个例子？
6.  Tomcat中的类加载机制有了解吗？为什么这么设计？
7.  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？
8.  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。

## 基本概念篇 ##

### 类的加载和卸载 ###

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）。

### 类的生命周期 ###

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。

![44770-bd86b70577f076d4.png][]

Java类的生命周期

### 类的加载的时机 ###

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：

![44770-baff578e41c1b848.png][]

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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

1.  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；
2.  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；
3.  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；
4.  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；
5.  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。

### 类的卸载时机 ###

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：

1.  该类所有的实例对象都已被回收；
2.  该类的类加载器对象已经被回收；
3.  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。

### 类加载器的作用 ###

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：

![44770-bc281166c0581de5.png][]

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：

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

## 总结 ##

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。

## 参考资料 ##

1.  [https://jrebel.com/rebellabs/do-you-really-get-java-classloaders/][https_jrebel.com_rebellabs_do-you-really-get-java-classloaders]
2.  [https://stackoverflow.com/questions/2424604/what-is-a-java-classloader][https_stackoverflow.com_questions_2424604_what-is-a-java-classloader]
3.  [https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/lang/ClassLoader.html][https_docs.oracle.com_javase_9_docs_api_java_lang_ClassLoader.html]
4.  [https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-classloader/index.html][https_www.ibm.com_developerworks_cn_java_j-lo-classloader_index.html]
5.  [https://blogs.oracle.com/sundararajan/understanding-java-class-loading][https_blogs.oracle.com_sundararajan_understanding-java-class-loading]
6.  《深入理解Java虚拟机》
7.  《揭秘Java虚拟机》
8.  《Java性能权威指南》

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[https_jrebel.com_rebellabs_do-you-really-get-java-classloaders]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fjrebel.com%2Frebellabs%2Fdo-you-really-get-java-classloaders%2F
[https_stackoverflow.com_questions_2424604_what-is-a-java-classloader]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fstackoverflow.com%2Fquestions%2F2424604%2Fwhat-is-a-java-classloader
[https_docs.oracle.com_javase_9_docs_api_java_lang_ClassLoader.html]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fdocs.oracle.com%2Fjavase%2F9%2Fdocs%2Fapi%2Fjava%2Flang%2FClassLoader.html
[https_www.ibm.com_developerworks_cn_java_j-lo-classloader_index.html]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fwww.ibm.com%2Fdeveloperworks%2Fcn%2Fjava%2Fj-lo-classloader%2Findex.html
[https_blogs.oracle.com_sundararajan_understanding-java-class-loading]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fblogs.oracle.com%2Fsundararajan%2Funderstanding-java-class-loading