JVM類加載機制分析

作者：Reathin 2023-10-31 16:00:51

開發

Java虛擬機將編譯后的.class文件加載到內存中，進行校驗、轉換、解析和初始化，到最終的使用，這就是類的加載機制。

一、類加載機制

什么是類加載機制？

Java虛擬機將編譯后的.class文件加載到內存中，進行校驗、轉換、解析和初始化，到最終的使用，這就是類的加載機制。類的加載時機并未有明確的規定，但是類明確了類的初始化時機。

二、類加載機制的過程

類的加載機制大致分為五個過程：加載、驗證、準備、解析、初始化。

1.加載

通過ClassLoader加載一個Class對象到內存中。具體過程：

通過全限定名獲取此類的二進制字節流(.class文件)，至于二進制字節流在哪里獲取并沒有限制，可以從jar、apk、zip、數據庫、網絡、自己運行生成都可以。
在內存中生成一個代表此類的java.lang.Class對象，并作為方法區這個類的訪問入口。這個Class對象并沒有規定放在Java堆中，有些虛擬機將它放在方法區中。

2.驗證

驗證加載后的類是否符合.Class文件結構，類數據是否符合虛擬機的要求，確保不會危害虛擬機的安全。具體過程如下：

文件格式驗證：驗證二機制字節流是否符合.class的文件格式，并且驗證該.class文件是否在虛擬機的處理范圍內，文件格式驗證合格后才將二進制的數據存放在內存的方法區中。
元數據驗證：主要是對該類的元數據信息進行語義檢查，保證不存在不符合 Java 語義規范的元數據信息。
字節碼驗證：主要對類的方法體進行驗證，確保類的方法不會做出危害虛擬機的行為
符號引用驗證：對類本身飲用其他類型的驗證，包括對全限定名是否能找到對應的類，是否能找到對應的類的方法和字段，訪問性是否合適。

3.準備

對于類變量(static修飾)為其分配內存，并賦值初始值(如0，false)。
對于常量(final修飾)為其賦值設置的數值。

4.解析

將類符號引用轉換成直接引用。

5.初始化

給類變量(static)賦值，并執行static{}方法。這里的觸發執行的方法是類構造器中。

類構造器是編譯器自己生成的，它會按類的順序的收集類變量和靜態代碼塊，如果一個類中沒有類變量也沒有靜態代碼塊將沒有類構造器。它和實例構造器是不同。
父類的構造器將優先于子類的構造器執行。子接口的構造器不需要調用父類的類構造器。
靜態代碼塊可以訪問出現在它前面的靜態變量，但不能訪問后面的靜態變量，只可以賦值。

類初始化的時機：

new一個對象的時候；獲取和設置static的變量和方法的時候；
使用 java.lang.reflect 包對方法進行反射調用的時候。
當一個類的父類沒被初始化時，會優先初始化父類。
當虛擬機啟動時，需要指定一個要執行的主類時候。
當使用 JDK 1.7 的動態語言支持時，如果一個 java.lang.invoke.MethodHandle 實例最后的解析結果 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invodeStatic 的方法句柄，并且這個方法句柄所對應的類沒有進行過初始化，則需要先觸發其初始化。

三、類加載器ClassLoader

這里的ClassLoader是安卓的類加載器，不是Java的加載器，這是有區分的，比如Java的類加載器加載的是jar里面的.class文件的集合，而安卓則是將.class文件的集合全部寫入到一個dex文件中，刪除一些重復的代碼，以此來提高性能。

1.ClassLoader的類型

Android的類加載器類型也可以分為兩種：

系統類加載器
自定義類加載器

無論哪種加載器，它們都要繼承ClassLoader這個抽象父類。其中系統類加載器主要有：BootClassLoader、PathClassLoader、DexClassLoader

(1) BootClassLoader

class BootClassLoader extends ClassLoader {

    private static BootClassLoader instance;

    @FindBugsSuppressWarnings("DP_CREATE_CLASSLOADER_INSIDE_DO_PRIVILEGED")
    public static synchronized BootClassLoader getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new BootClassLoader();
        }

        return instance;
    }
    ...

}

BootClassLoader繼承于ClassLoader，它是一個沒有父加載器的加載器，它在Zygote進程啟動的時候，BootClassLoader加載器將會被創建，用它加載一些預加載類，方便以后fork進程時復用資源。同時它也是ClassLoader的內部類。

(2) PathClassLoader

public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {

    /**
     * @param dexPath : Dex相關文件的路徑
     * @param parent  ： 父加載器
     */
    public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, null, parent);
    }

    /**
     * @param dexPath: Dex相關文件的路徑
     * @param librarySearchPath：包含C/C++庫的路徑集合
     * @param parent ： 父加載器
     */
    public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
    }
    ...
}

PathClassLoader繼承BseDexClassLoader，同時BaseDexClassLoader繼承ClassLoader。 PathClassLoader的創建在system_server進程中，PathClassLoader類加載器通常加載已經安裝的apk的dex文件。 PathClassLoader類加載器默認的解壓的dex文件的存儲路徑是:/data/dalvik_cache路徑中。如下是創建的時機：

public class ZygoteInit {

    // 創建完system_server進程后，會執行此方法
    private static Runnable handleSystemServerProcess(ZygoteArguments parsedArgs) {
        if (systemServerClasspath != null) {
            //...
        } else {
            ClassLoader cl = null;
            // 創建PathClassLoader加載器
            if (systemServerClasspath != null) {
                cl = createPathClassLoader(systemServerClasspath, parsedArgs.mTargetSdkVersion);
            }
        }
    }

    static ClassLoader createPathClassLoader(String classPath, int targetSdkVersion) {
        String libraryPath = System.getProperty("java.library.path");

        // 父加載器是BootClassLoader
        ClassLoader parent = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();

        // 創建工廠模式創建PathClassLoader
        return ClassLoaderFactory.createClassLoader(classPath, libraryPath, libraryPath,
                parent, targetSdkVersion, true /* isNamespaceShared */, null /* classLoaderName */);
    }

}


public abstract class ClassLoader {

    public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
        return SystemClassLoader.loader;
    }

    static private class SystemClassLoader {
        public static ClassLoader loader = ClassLoader.createSystemClassLoader();
    }

    private static ClassLoader createSystemClassLoader() {
        String classPath = System.getProperty("java.class.path", ".");
        String librarySearchPath = System.getProperty("java.library.path", "");
        // 父加載器是BootClassLoader
        return new PathClassLoader(classPath, librarySearchPath, BootClassLoader.getInstance());
    }
}

可見PathClassLoader的父加載器是BootClassLoader。

(3) DexClassLoader

public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {

    /**
     *
     * @param dexPath : Dex相關文件的路徑
     * @param optimizedDirectory: 解壓的dex的存儲路徑
     * @param librarySearchPath：包含C/C++庫的路徑集合
     * @param parent ： 父加載器
     */
    public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
    }
}

DexClassLoader也是繼承BaseDexClassLoader，相比PathClassLoader則是可以定義解壓dex的存儲路徑。

除了BootClassLoader、PathClassLoader、DexClassLoader這三個類加載器外還有,InMemoryDexClassLoader:用于加載內存的dex;SecureClassLoader:權限檢查的ClassLoader;URLClassLoader:URL的ClassLoade。

2.ClassLoader的加載過程

Android中所有的類加載器都繼承于ClassLoader抽象類，這個類的loadClass()方法同樣實現了雙親委托機制。

(1) 雙親委托機制

public abstract class ClassLoader {

   /**
     * 雙親委托機制
     */
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
            throws ClassNotFoundException {
        // 1. 先檢查class是否已經加載過
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            // 沒有加載過
            try {
                if (parent != null) {
                    // 先給父ClassLoader加載Class
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 調用BootClassLoader加載Class
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }


            if (c == null) {
                // 父的ClassLoader都沒有加載class，則調用findClass()給此ClassLoader加載
                c = findClass(name);
            }
        }
        return c;
    }


    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
}

ClassLoader的loadClass()方法定義了加載器加載類的過程：

如果class文件已經加載過，則從緩存中找。否則給遞歸給父加載器的loadClass()方法查找class文件
如果父加載器沒找到，則調用自己的findClass(name)方法開始找class文件。這種設計避免了一些核心類的加載被用戶自定義復寫，導致功能不同。

那這個findClass()方法在ClassLoader中是一個空實現，它讓給你子類去實現這個查找的過程。那這里以BaseDexClassLoader為例，看findClass()是如何查找class文件的：

public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {

    private final DexPathList pathList;

    public BaseDexClassLoader(String dexPath,
                              String librarySearchPath, ClassLoader parent, ClassLoader[] sharedLibraryLoaders,
                              boolean isTrusted) {
        super(parent);
        this.sharedLibraryLoaders = sharedLibraryLoaders == null
                ? null
                : Arrays.copyOf(sharedLibraryLoaders, sharedLibraryLoaders.length);
        this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath, null, isTrusted);

        reportClassLoaderChain();
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        //  調用DexPathList.findClass方法查找class
        Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions);
        if (c == null) {
            ClassNotFoundException cnfe = new ClassNotFoundException(
                    "Didn't find class \"" + name + "\" on path: " + pathList);
            for (Throwable t : suppressedExceptions) {
                cnfe.addSuppressed(t);
            }
            throw cnfe;
        }
        return c;
    }
}

調用DexPathList.findClass()方法去查找class文件:

public final class DexPathList {
    private Element[] dexElements;

    DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
                String librarySearchPath, File optimizedDirectory, boolean isTrusted) {
         this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
                suppressedExceptions, definingContext, isTrusted);
    }

    public Class<?> findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
        // 遍歷Element數組去查詢
        for (Element element : dexElements) {
            Class<?> clazz = element.findClass(name, definingContext, suppressed);
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }

        if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
            suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
        }
        return null;
    }

}


    /*package*/ static class Element {
        @UnsupportedAppUsage
        private final File path;
    
        private final Boolean pathIsDirectory;

        @UnsupportedAppUsage
        private final DexFile dexFile;

        private ClassPathURLStreamHandler urlHandler;
        private boolean initialized;

        @UnsupportedAppUsage
        public Element(DexFile dexFile, File dexZipPath) {
            if (dexFile == null && dexZipPath == null) {
                throw new NullPointerException("Either dexFile or path must be non-null");
            }
            this.dexFile = dexFile;
            this.path = dexZipPath;
            this.pathIsDirectory = (path == null) ? null : path.isDirectory();
        }

        public Class<?> findClass(String name, ClassLoader definingContext,
                                  List<Throwable> suppressed) {
             //  調用DexFile.loadClassBinaryName()方法去查找
            return dexFile != null ? dexFile.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed)
                    : null;
        }
}

public final class DexFile {

    public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader, List<Throwable> suppressed) {
        return defineClass(name, loader, mCookie, this, suppressed);
    }

    private static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, Object cookie,
                                     DexFile dexFile, List<Throwable> suppressed) {

        Class result = null;
        try {
            result = defineClassNative(name, loader, cookie, dexFile);
        }
        ...
        return result;
    }

    private static native Class defineClassNative(String name, ClassLoader loader, Object cookie, DexFile dexFile)
        
}

DexPathList有一個Element[]數組，每個Element有dex文件路徑，通過遍歷Element[]數組，調用Element. loadClassBinaryName()方法去查找是否對應的class文件，最后調用defineClassNative()native方法去查找。

責任編輯：趙寧寧來源：沐雨花飛蝶

類加載機制 Java