【Java核心-进阶】类加载

Java类加载的三个阶段

《Loading, Linking, and Initializing》

 

加载（Loading）

将Java字节码数据读取到JVM中，并映射为 Class 对象。
数据源可以是 jar文件、class文件或网络数据源。
 

用户可以实现自己的类加载器来自定义加载过程。

 

链接（Linking）

把原始的类定义信息平滑地转化入JVM。
分为三个子步骤：

验证（Verification）

这是JVM安全的重要保障。
JVM会核验字节信息是否符合 Java 虚拟机规范，防止恶意信息或不合规的信息危害JVM运行。
验证阶段可能会触发更多 class 的加载。

 

准备（Preparation）

创建类或接口中的静态变量，并初始化静态变量的初始值。
此步骤侧重于分配内存空间，不会去执行更进一步的JVM指令；与后续的“初始化”不同。

 

解析（Resolution）

将常量池中的 符号引用（Symbolic Reference）替换为直接引用。

 

初始化（Initialization）

真正执行类初始化的代码逻辑，包括 对静态字段进行赋值、执行静态代码块。
这些代码逻辑事先由编译器在编译阶段整理好。父类型的初始化 优先于 当前类型。

Parent Delegation Model（“双亲委派模型”）

其实翻译为“双亲”很容易误导中文读者。（在学习“树”的数据结构时，我们会把“parent node”翻译为“父节点”）
 

此处的委派模型指：当一个ClassLoader需要加载一个类时，会尝试将该任务委托给它的 父ClassLoader，除非父ClassLoader找不到目标资源。
目的：这种委派模型的目的是为了避免重复加载Java类型。
这体现了类加载机制的“可见性”和“单一性”。
可见性：子ClassLoader可见到父ClassLoader加载的类型（反之不能）。
单一性：子ClassLoader不会加载父ClassLoader已经加载过的类型。
但是“邻居”ClassLoader之间，同一类型仍然可以被加载多次；因为它们互相不可见。

 

Java 8 及以前的 类加载器

 

三个内建的 类加载器

Bootstrap Class-Loader（启动类加载器）

加载 jre/lib 目录下的 jar包。如，rt.jar。

 

Extension Class-Loader（扩展类加载器）

加载 jre/lib/ext 目录下的 jar包。

 

Application Class-Loader（应用类加载器）

加载 classpath 下的资源

 

Java 9 的类加载器

Jigsaw 项目为 Java 9 引入了 Java平台模块化系统（JPMS）。Java SE的源码被划分为一系列模块，类加载器也发生了非常大的变化。
如，扩展类加载器被重命名为“平台类加载器”（Platform Class-Loader）；rt.jar 被移除，JDK核心类库被存储在 jimage 文件中。
新增的 Layer 抽象可以更方便地实现类似容器的逻辑。
 

内建类的加载器都在 BootLayer 中；
其它Layer内部有自定义的类加载器；
不同版本模块可以同时工作在不同的 Layer中。

 

 

自定义类加载器

使用场景

绝大多数应用都不需要实现自定义的类加载器。一般在以下场景中会用到自定义类加载器：

• 实现“进程内隔离”。
  类加载器作用于不同的命名空间，它可以提供类似 容器/模块化 的效果。
  如，两个模块分别依赖于某个类库的不同版本，让这两个模块分别被不同的“容器”加载就可以互不干扰。
  Java EE、 OSGI、JPMS 等框架都有这种机制

• 从不同的数据源获取类定义信息。
  如，应用需要从网络数据源获取类信息，而不是本地文件系统

• 需要自己操作字节码，动态修改或生成类型。

 

实现方式

大致步骤：

1. 通过指定的名称，找到其二进制实现（字节码），或修改/生成字节码。自定义类加载器一般就是在这做“定制”
2. 创建 Class 对象，并完成类加载过程。通过  ClassLoader.defineClass 方法将二进制信息转换为 Class 对象。

扩展：《Class Loaders in Java》

加快java类信息加载的技术

Java类的加载、解释、编译都需要时间，这会明显导致Java应用启动变慢。
类加载器获得的类信息是字节码，它与平台无关，具体用于执行时还需要解释/编译。

AOT（Ahead-of-Time Compilation）

这项技术是提前把Java Class提前编译为本地代码（native code），以加速Java应用的启动时间。
目前还只是试验性的特性，局限性比较大。

 

AppCDS（Application Class-Data Sharing）

这项技术可以将Java Class信息存储在文件系统中，作为 Shared Archive。
JVM会通过内存映射技术映射到相应的地址空间，免除类加载、解析等开销，加速启动，同时也可以减少内存占用（footprint）。
 

局限性：如果存在大量运行时动态类加载，此技术的帮助会很有限