类加载器,对于很多人来说并不陌生。我自己第一次听到这个概念时觉得有点“高大上”,觉得只有深入 JDK 源码才会触碰到 ClassLoader,平时都是传闻中的东西。
今天,就让我们一起来探索一下这”传闻“中的类加载器,看看它是何方神圣。
类生命周期
在正式聊类加载器之前,我们先正本清源,看看类的生命周期是什么样的。
为了方便后续解读,下面我贴了一张图展示了类的生命周期的 7 个步骤。
对照着上图,我们逐一来解释一下。
- 加载(Loading):找 Class 文件
- 验证(Verification):验证格式、依赖
- 准备(Preparation):静态字段、方法表
- 解析(Resolution):符号解析为引用
- 初始化(Initialization):构造器、静态变量赋值、静态代码块
- 使用(Using)
- 卸载(Unloading)
1.加载
所谓的加载,就是查找字节流,并根据字节流创建类的过程。
- 对于数组类,它没有对应的字节流,是由 Java 虚拟机直接生成的。
- 对于其他的类,Java 虚拟机需要借助类加载器来完成查找字节流的过程。
启动类加载器
建筑界有许多的建筑师,他们等级分明,但都有着共同的祖师爷,叫「启动类加载器(boot class loader)」。由于启动类加载器是由 C++ 实现的,没有对应的 Java 对象,因此在 Java 中只能用 null 来指代。
// jdk中 BootstrapClass 是 native 实现
private native Class<?> findBootstrapClass(String name);
除了启动类加载器之外,其他的类加载器都是 java.lang.ClassLoader 的子类,有对应的 Java 对象。这些类加载器需要先由另一个类加载器,比如说启动类加载器,加载至 Java 虚拟机中,方能执行类加载。
双亲委派模型
在 Java 虚拟机中,这个潜规则就是「双亲委派模型」。每当一个类加载器接收到加载请求时,它会先将请求转发给父类加载器。在父类加载器没有找到请求的类时,这个类加载器才会尝试去加载。
加载器类型
Java 9 引入了模块系统,并且略微更改了上述的类加载器。扩展类加载器被改名为「平台类加载器(platform class loader)」。Java SE 中除了少数几个关键模块,比如说 java.base 是由启动类加载器加载之外,其他的模块均由平台类加载器所加载。
除了由 Java 核心类库提供的类加载器外,我们还可以加入「自定义类加载器」,实现特殊的加载方式。
类加载器的命名空间
除了加载功能之外,类加载器还提供了「命名空间」的作用。
在 Java 虚拟机中,类的唯一性是由类加载器实例以及类的全名一同确定的。即便是同一串字节流,经由不同的类加载器加载,也会得到两个不同的类。
2.链接
链接,是指将创建好的类合并至 Java 虚拟机中,使之能够执行的过程。它可分为验证、准备以及解析三个阶段。
- 「验证」阶段的目的,在于确保被加载类能够满足 Java 虚拟机的约束条件。
2.「准备」阶段的目的,则是为被加载类的静态字段分配内存。Java 代码中对静态字段的具体初始化,则会在稍后的初始化阶段中进行。
除了分配内存外,部分 Java 虚拟机会在此阶段构造其他跟类层次相关的数据结构,比如说用来实现虚方法的动态绑定的方法表。
在 class 文件被加载至 Java 虚拟机之前,这个类无法知道其他类及其方法、字段所对应的具体地址,甚至不知道自己方法、字段的地址。因此,每当需要引用这些成员时,Java 编译器会生成一个「符号引用」。在运行阶段,这个符号引用一般都能够无歧义地定位到具体目标上。
3.「解析」阶段的目的,正是将这些符号引用解析成为实际引用。
如果符号引用指向一个未被加载的类,或者未被加载类的字段或方法,那么解析将触发这个类的加载(但未必触发这个类的链接以及初始化。)
Java 虚拟机规范并没有要求在链接过程中完成解析。它仅规定了:如果某些字节码使用了符号引用,那么在执行这些字节码之前,需要完成对这些符号引用的解析。
3.初始化
静态字段的赋值
Java 中如果要初始化一个静态字段,我们可以在声明时直接赋值,也可以在静态代码块中对其赋值。
- 如果直接赋值的静态字段被 final 所修饰,并且它的类型是基本类型或字符串时,那么该字段便会被 Java 编译器标记成「常量值(ConstantValue)」,其初始化直接由 Java 虚拟机完成。
- 除此之外的直接赋值操作,以及所有静态代码块中的代码,则会被 Java 编译器置于同一方法中,并把它命名为 < clinit >。
初始化
类加载的最后一步是初始化,便是为标记为常量值的字段赋值和执行 < clinit > 方法的过程。Java 虚拟机会通过加锁来确保类的 < clinit > 方法仅被执行一次。
只有当初始化完成之后,类才正式成为可执行的状态。
那么,类的初始化何时会被触发呢?
JVM 规范枚举了下述多种触发情况:
当虚拟机启动时,初始化用户指定的主类,就是启动执行的 main 方法所在的类;
当遇到用以新建目标类实例的 new 指令时,初始化 new 指令的目标类;
当遇到调用静态方法的指令时,初始化该静态方法所在的类;
当遇到访问静态字段的指令时,初始化该静态字段所在的类;
子类的初始化会触发父类的初始化;
如果一个接口定义了 default 方法,那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化,会触发该接口的初始化;
使用反射 API 对某个类进行反射调用时,初始化这个类;
当初次调用 MethodHandle 实例时,初始化该 MethodHandle 指向的方法所在的类。
// 单例延迟初始化例子
public class Singleton {
private Singleton() {}
private static class LazyHolder {
static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance() {
return LazyHolder.INSTANCE;
}
}
由于类的初始化线程安全,并且仅被执行一次,因此程序可以确保多线程环境下有且仅有一个 Singleton 实例。
那么,什么时候不会初始化,但可能会加载?
通过子类引用父类的静态字段,只会触发父类的初始化,而不会触发子类的初始化。
定义对象数组,不会触发该类的初始化。
常量在编译期间会存入调用类的常量池中,本质上并没有直接引用定义常量的类,不会触发定义常量所在的类。
通过类名获取 Class 对象,不会触发类的初始化,Hello.class 不会让 Hello 类初始化。
通过 Class.forName 加载指定类时,如果指定参数 initialize 为 false 时,也不会触发类初始化,其实这个参数是告诉虚拟机,是否要对类进行初始化。Class.forName (“jvm.Hello”)默认会加载 Hello 类。
通过 ClassLoader 默认的 loadClass 方法,也不会触发初始化动作(加载了,但不初始化)。
流程概览
为了方便查看,我画了一张流程图演示上面的步骤。