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java类加载机制
类加载机制是指将class文件加载到JVM,并形成class对象的机制,之后应用就可以对class对象进行实例化并调用,类加载机制可在运行时动态加载外部的类、远程网络下载过来的class文件等。除了该动态化的特殊外,JVM的类加载机制会对不同的应用起到隔离作用,以免相互影响。
JVM类加载分为三步:装载、链接和初始化。装载和链接是将二进制的字节码转换成class对象;初始化过程不是加载类时必须触发的,但是在初次主动使用对象前必须进行初始化。
装载
装载过程负责找到二进制字节码并加载至JVM中,JVM通过类的全限定名及类加载器完成类的加载,同样,也采用以上两个元素来标识一个被加载了的类:类的全限定名+classloader实例ID。
链接
链接过程负责对二进制字节码的格式进行校验、初始化装载类中的静态变量及解析类中调用的接口、类。
二进制字节码的格式机校验遵循java class file format规范,如果格式不符合,则抛出VerifyError;校验过程中如果碰到引用到其他的接口和类,也会进行加载;如果加载过程失败,则会抛出NoClassDefFoundError。
完成校验后,JVM初始化类中的静态变量,并将其值赋为默认值。
最后对类中的所有属性、方法进行验证,以确保其要调用的属性、方法存在,以及具备相应的权限(public/private等)。如果这个阶段失败,可能会造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等错误信息。
初始化
初始化过程即执行类中的静态初始化代码、构造器代码及静态属性的初始化,在以下四种情况下初始化过程会触发执行:
1.调用了new;
2.反射调用了类加的方法;
3.子类调用了初始化;
4.JVM启动过程中指定的初始化类。
在执行初始化过程之前,首先必须完成链接过程中的校验和准备阶段,解析阶段则不强制。
JVM的类加载通过ClassLoader及其子类来完成,分为Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader、System ClassLoader及User-Defined ClassLoader。
Bootstrap ClassLoader
sun JDK采用C++实现了此类,此类并非ClassLoader的子类,在代码中没有办法拿到这个对象,SunJDK启动时会初始此ClassLoader,并由ClassLoader完成$JAVA_HOME$中jre/lib/rt.jar里所有class文件的加载,jar中包含了java规范定义的所有接口及实现。
Extension ClassLoader
JVM用此ClassLoader来加载扩展功能的一些jar包,jre/lib/ext/*.jar。在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为ExtClassLoader。
System ClassLoader
JVM用此ClassLoader来加载启动参数中指定的classpath中的jar包及目录,在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为AppClassLoader。
User-Defined ClassLoader
指java开发人员继承ClassLoader抽象类实现的ClassLoader,基于自定义的ClassLoader可用于加载非Classpath中(例如从网络上下载的jar或二进制)的jar及目录、还可以在加载之前对class文件做一些动作,例如解密等。
JVM的ClassLoader采用的是树形结构,除BootstrapClassLoader外,其他的ClassLoader都会有parentClassLoader,User-Defined ClassLoader默认的parent ClassLoader为System ClassLoader。加载类时通常按照树形结构的原则来进行,也就是说,首先应从parent ClassLoader中尝试进行加载,当parent中无法加载时,应再尝试从System ClassLoader中进行加载,System ClassLoader同样遵循此原则,在找不到的情况下会自动从其parent ClassLoader中进行加载。值得注意的是,由于JVM是采用类名加ClassLoader的实例来作为Classl加载的判断的,因此加载时不采用上面的顺序也是可以的,例如加载时不去parent ClassLoader中寻找,而只在当前的ClassLoader中寻找,会造成树上多个不同的ClassLoader中都加载了某class,并且这些class的实例对象都不相同,JVM会保证同一个ClassLoader实例对象中只能加载一次同样名称的class,因此可借助此来实现类隔离的需求,但有时也会带来困惑,例如ClassCastException.因此在加载类的顺序上要根据需求合理把握,尽量保证从根到最下层的classLoader上的class只加载了一次。
ClassLoader抽象类提供了几个关键的方法:
loadClass
此方法负责加载指定名字的类,classLoader的实现方法为先从已经的类中寻找,如滑,则继续从parent ClassLoader中寻找;如果仍然没找到,则从system ClassLoader中寻找,最后再调用findClass方法来寻找;如果要改变类的加载顺序,则可覆盖此方法;如果加载顺序相同,则可通过覆盖findClass来做特殊的处理,例如解密、固定路径寻找等。当通过整个寻找类的过程仍然未获取Class对象时,则抛出ClassNotFoundException。
findLoadedClass
此方法负责从当前ClassLoader实例对象的缓存中寻找已加载的类,调的为native的方法。
findClass
此方法直接抛出classNotFoundException,因此要通过覆盖loadClass或此方法来以自定义的方式加载相应的类。
findSystemClass
此方法负责从system ClassLoader中寻找类,如未找到,则继续从Bootstrap ClassLoader中寻找,如果仍然未找到,则返回null。
defineClass
此方法负责将二进制的字节码转换为class对象,这个方法对于自定义加载类而言非常重要。如果二进制的字节码的格式不符合JVM Class文件的格式,则抛出ClassFormatError;如果生成的类名和二进制字节码中的不同,则抛出NoClassDefFoundError;如果加载的class是受保护的、采用不同签名的,或者类名是以java开头的,则抛出SecurityException;如果加载的class在此ClassLoader中已加载,则抛出LinkageError。
resolveClass
此方法负责完成class对象的链接,如果链接过,则会直接返回。
当java开发人员调用Class.forName来获取一个对应名称的class对象时,JVM会从方法栈上寻找第一个ClassLoader,通常也就是执行Class.forName所在类的ClassLoader,并使用此ClassLoader来加载此名称的类。JVM为了保护加载、执行的类的安全,它不允许Classloader直接卸载加载了的类,只有JVM才能卸载,在SunJDK中,只有当Classloader对象没有引用时,此ClassLoader对象加载的类才会被卸载。
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