竟然還有人沒搞懂 JVM 類加載器？一文徹底明白
寫在前面
在Java面試中，在考察完項目經驗、基礎技術后，我會根據候選人的特點進行知識深度的考察，如果候選人簡歷上有寫JVM(Java虛擬機)相關的東西，那么我常常會問一些JVM的問題。JVM的類加載機制是一個很經典的知識點，圍繞這個知識點可以有下面這些難度不同的問題。
- 簡單講下JVM中的類加載過程
- JVM中的類加載和卸載的時機?
- 如何理解JVM中不同類加載器的概念和作用?
- 簡單講下JVM中的雙親委派模型?
- 什么情況下會破壞雙親委派模型?為什么?可否舉個例子?
- Tomcat中的類加載機制有了解嗎?為什么這么設計?
- 實際開發中有遇到哪些類加載器相關的問題?你又是如何解決的?
- JVM之上的弱類型語言例如Groovy是如何實現?簡單講下動態類加載機制?
在接下來的幾篇文章，我將跟讀者一起重新梳理一遍類加載器的相關知識，爭取能夠妥善解答上面列出的這些問題。
基本概念篇
類的加載和卸載
JVM是虛擬機的一種，它的指令集語言是字節碼，字節碼構成的文件是class文件。平常我們寫的Java文件，需要編譯為class文件才能交給JVM運行。可以這么說：C語言代碼——>二進制文件——>計算機硬件，就相當于Java代碼——>字節碼文件——>JVM。JVM將指定的class文件讀取到內存里，并運行該class文件里的Java程序的過程，就稱之為類的加載;反之，將某個class文件的運行時數據從JVM中移除的過程，就稱之為類的卸載。
class文件的運行時數據就是C++對象，也稱為kclass對象，這些運行時數據在JDK7之前是放在永久代(PermGen)，JDK8之后則放在元空間(Metaspace)。
類的生命周期
Java類從被虛擬機加載開始，到卸載出內存為止，它的整個生命周期包括：加載(Loading)、驗證(Verification)、準備(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸載(Unloading)7個階段;其中驗證、準備和解析又統稱為連接(Linking)階段。
類的加載的時機
虛擬機規范并未嚴格規定類加載的時機，跟具體的JVM虛擬機有關。類加載的最佳時機是解析Java字節碼類文件中常量池符號的時候，Class.forName()、ClassLoader.loadClass()、反射API和JNI_FindClass都可以觸發類加載，Hot JVM自身啟動的時候也會觸發類加載。
通過JVM參數中加-verbose:class，可以在應用啟動的時候打印類加載的過程，如下圖所示：
- 初始化這個階段，JVM虛擬機給出了5種必須對類進行“初始化”的情況
- 使用new關鍵字實例化對象的時候、讀取或設置一個類的靜態字段的時候、調用一個類的靜態方法的時候;
- 使用java.lang.reflect包的方法對類進行反射調用的時候，如果類沒有進行過初始化，則要先觸發其初始化;
- 當初始化一個類的時候，如果發現其父類還沒有被初始化，則要先初始化其父類;
- 當虛擬機啟動時，用戶需要指定一個執行的主類(包含main方法的那個類)，則虛擬機會優先初始化這個主類;
- 在JDK1.7以后，動態語言支持的時候，如果一個java.lang.invoke.MethodHandle實例最后的結果是要執行第1種情況的操作，則也要進行初始化。
類的卸載時機
類的卸載跟采用的垃圾收集算法有關，在CMS中有兩種方法卸載不必要的類，一種是等到元空間(Metaspace)滿了的時候觸發FGC，另一種是使用跟CMS并發收集算法類似的方式，不過對于元空間的閾值和觸發CMS并發收集的閾值是獨立的。更具體的可以參考之前的文章：CMS學習筆記。在這里，我們只需要記住，JVM中一個類的卸載要滿足下面這3個條件：
- 該類所有的實例對象都已被回收;
- 該類的類加載器對象已經被回收;
- 該類對應的java.lang.Class對象沒有在任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法。
類加載器的作用
類的加載是需要類加載器完成的，但是類加載器在JVM中的作用可不止這些。在JVM中，一個類的唯一性是需要這個類本身和類加載一起才能確定的，每個類加載器都有一個獨立的命名空間。
不同的類加載器，即使是同一個類字節碼文件，最后再JVM里的類對象也不是同一個，下面的代碼展示了這個結論：
- 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);
- }
- }
上述代碼的運行結果是：
可以看出，代碼中使用自定義類加載器(myLoader)加載的jvm.ClassLoaderTest類和通過應用程序類加載器加載的類不是同一個類。綜上，類加載器在JVM中的作用有：
- 將類的字節碼文件從JVM外部加載到內存中
- 確定一個類的唯一性
- 提供隔離特性，為中間件開發者提供便利，例如Tomcat
