彻底搞懂JVM类加载器：基本概念

本文首发于个人网站：类加载器的基本概念梳理

写在前面

在Java面试中，在考察完项目经验、基础技术后，我会根据候选人的特点进行知识深度的考察，如果候选人简历上有写JVM（Java虚拟机）相关的东西，那么我常常会问一些JVM的问题。JVM的类加载机制是一个很经典的知识点，围绕这个知识点可以有下面这些难度不同的问题。

1. 简单讲下JVM中的类加载过程
2. JVM中的类加载和卸载的时机？
3. 如何理解JVM中不同类加载器的概念和作用？
4. 简单讲下JVM中的双亲委派模型？
5. 什么情况下会破坏双亲委派模型？为什么？可否举个例子？
6. Tomcat中的类加载机制有了解吗？为什么这么设计？
7. 实际开发中有遇到哪些类加载器相关的问题？你又是如何解决的？
8. JVM之上的弱类型语言例如Groovy是如何实现？简单讲下动态类加载机制？

在接下来的几篇文章，我将跟读者一起重新梳理一遍类加载器的相关知识，争取能够妥善解答上面列出的这些问题。

基本概念篇

类的加载和卸载

JVM是虚拟机的一种，它的指令集语言是字节码，字节码构成的文件是class文件。平常我们写的Java文件，需要编译为class文件才能交给JVM运行。可以这么说：C语言代码——>二进制文件——>计算机硬件，就相当于Java代码——>字节码文件——>JVM。JVM将指定的class文件读取到内存里，并运行该class文件里的Java程序的过程，就称之为类的加载；反之，将某个class文件的运行时数据从JVM中移除的过程，就称之为类的卸载。

class文件的运行时数据就是C++对象，也称为kclass对象，这些运行时数据在JDK7之前是放在永久代（PermGen），JDK8之后则放在元空间（Metaspace）。

类的生命周期

Java类从被虚拟机加载开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段；其中验证、准备和解析又统称为连接（Linking）阶段。

类的加载的时机

虚拟机规范并未严格规定类加载的时机，跟具体的JVM虚拟机有关。类加载的最佳时机是解析Java字节码类文件中常量池符号的时候，Class.forName()、ClassLoader.loadClass()、反射API和JNI_FindClass都可以触发类加载，Hot JVM自身启动的时候也会触发类加载。

通过JVM参数中加-verbose:class，可以在应用启动的时候打印类加载的过程，如下图所示：

初始化这个阶段，JVM虚拟机给出了5种必须对类进行“初始化”的情况

1. 使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段的时候、调用一个类的静态方法的时候；
2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则要先触发其初始化；
3. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有被初始化，则要先初始化其父类；
4. 当虚拟机启动时，用户需要指定一个执行的主类（包含main方法的那个类），则虚拟机会优先初始化这个主类；
5. 在JDK1.7以后，动态语言支持的时候，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的结果是要执行第1种情况的操作，则也要进行初始化。

类的卸载时机

类的卸载跟采用的垃圾收集算法有关，在CMS中有两种方法卸载不必要的类，一种是等到元空间（Metaspace）满了的时候触发FGC，另一种是使用跟CMS并发收集算法类似的方式，不过对于元空间的阈值和触发CMS并发收集的阈值是独立的。更具体的可以参考之前的文章：CMS学习笔记。在这里，我们只需要记住，JVM中一个类的卸载要满足下面这3个条件：

1. 该类所有的实例对象都已被回收；
2. 该类的类加载器对象已经被回收；
3. 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

类加载器的作用

类的加载是需要类加载器完成的，但是类加载器在JVM中的作用可不止这些。在JVM中，一个类的唯一性是需要这个类本身和类加载一起才能确定的，每个类加载器都有一个独立的命名空间。

不同的类加载器，即使是同一个类字节码文件，最后再JVM里的类对象也不是同一个，下面的代码展示了这个结论：

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);
    }
}

上述代码的运行结果是：

可以看出，代码中使用自定义类加载器（myLoader）加载的jvm.ClassLoaderTest类和通过应用程序类加载器加载的类不是同一个类。综上，类加载器在JVM中的作用有：

1. 将类的字节码文件从JVM外部加载到内存中
2. 确定一个类的唯一性
3. 提供隔离特性，为中间件开发者提供便利，例如Tomcat

总结

今天的文章，应该可以回答文章开始提出的前两个问题，下篇再会。

参考资料

1. https://jrebel.com/rebellabs/do-you-really-get-java-classloaders/
2. https://stackoverflow.com/questions/2424604/what-is-a-java-classloader
3. https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/lang/ClassLoader.html
4. https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-classloader/index.html
5. https://blogs.oracle.com/sundararajan/understanding-java-class-loading
6. 《深入理解Java虚拟机》
7. 《揭秘Java虚拟机》
8. 《Java性能权威指南》