Java 通过引入字节码和 JVM 机制,提供了强大的跨平台能力,理解 Java 的类加载机制是深入 Java 开发的必要条件,也是个面试考察热点。
今天我要问你的问题是,请介绍类加载过程,什么是双亲委派模型?
一般来说,我们把 Java 的类加载过程分为三个主要步骤:加载、链接、初始化,具体行为在Java 虚拟机规范里有非常详细的定义。
首先是加载阶段(Loading),它是 Java 将字节码数据从不同的数据源读取到 JVM 中,并映射为 JVM 认可的数据结构(Class 对象),这里的数据源可能是各种各样的形态,如 jar 文件、class 文件,甚至是网络数据源等;如果输入数据不是 ClassFile 的结构,则会抛出 ClassFormatError。
加载阶段是用户参与的阶段,我们可以自定义类加载器,去实现自己的类加载过程。
第二阶段是链接(Linking),这是核心的步骤,简单说是把原始的类定义信息平滑地转化入 JVM 运行的过程中。这里可进一步细分为三个步骤:
最后是初始化阶段(initialization),这一步真正去执行类初始化的代码逻辑,包括静态字段赋值的动作,以及执行类定义中的静态初始化块内的逻辑,编译器在编译阶段就会把这部分逻辑整理好,父类型的初始化逻辑优先于当前类型的逻辑。
再来谈谈双亲委派模型,简单说就是当类加载器(Class-Loader)试图加载某个类型的时候,除非父加载器找不到相应类型,否则尽量将这个任务代理给当前加载器的父加载器去做。使用委派模型的目的是避免重复加载 Java 类型。
今天的问题是关于 JVM 类加载方面的基础问题,我前面给出的回答参考了 Java 虚拟机规范中的主要条款。如果你在面试中回答这个问题,在这个基础上还可以举例说明。
我们来看一个经典的延伸问题,准备阶段谈到静态变量,那么对于常量和不同静态变量有什么区别?
需要明确的是,没有人能够精确的理解和记忆所有信息,如果碰到这种问题,有直接答案当然最好;没有的话,就说说自己的思路。
我们定义下面这样的类型,分别提供了普通静态变量、静态常量,常量又考虑到原始类型和引用类型可能有区别。
public class CLPreparation {
public static int a = 100;
public static final int INT_CONSTANT = 1000;
public static final Integer INTEGER_CONSTANT = Integer.valueOf(10000);
}
编译并反编译一下:
Javac CLPreparation.java
Javap –v CLPreparation.class
可以在字节码中看到这样的额外初始化逻辑:
0: bipush 100
2: putstatic #2 // Field a:I
5: sipush 10000
8: invokestatic #3 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
11: putstatic #4 // Field INTEGER_CONSTANT:Ljava/lang/Integer;
这能让我们更清楚,普通原始类型静态变量和引用类型(即使是常量),是需要额外调用 putstatic 等 JVM 指令的,这些是在显式初始化阶段执行,而不是准备阶段调用;而原始类型常量,则不需要这样的步骤。
关于类加载过程的更多细节,有非常多的优秀资料进行介绍,你可以参考大名鼎鼎的《深入理解 Java 虚拟机》,一本非常好的入门书籍。我的建议是不要仅看教程,最好能够想出代码实例去验证自己对某个方面的理解和判断,这样不仅能加深理解,还能够在未来的应用开发中使用到。
其实,类加载机制的范围实在太大,我从开发和部署的不同角度,各选取了一个典型扩展问题供你参考:
另外,需要注意的是,在 Java 9 中,Jigsaw 项目为 Java 提供了原生的模块化支持,内建的类加载器结构和机制发生了明显变化。我会对此进行讲解,希望能够避免一些未来升级中可能发生的问题。
首先,从架构角度,一起来看看 Java 8 以前各种类加载器的结构,下面是三种 Oracle JDK 内建的类加载器。
对于做底层开发的工程师,有的时候可能不得不去试图修改 JDK 的基础代码,也就是通常意义上的核心类库,我们可以使用下面的命令行参数。
# 指定新的bootclasspath,替换java.*包的内部实现
java -Xbootclasspath:<your_boot_classpath> your_App
# a意味着append,将指定目录添加到bootclasspath后面
java -Xbootclasspath/a:<your_dir> your_App
# p意味着prepend,将指定目录添加到bootclasspath前面
java -Xbootclasspath/p:<your_dir> your_App
用法其实很易懂,例如,使用最常见的 “/p”,既然是前置,就有机会替换个别基础类的实现。
我们一般可以使用下面方法获取父加载器,但是在通常的 JDK/JRE 实现中,扩展类加载器 getParent() 都只能返回 null。
public final ClassLoader getParent()
java -Djava.ext.dirs=your_ext_dir HelloWorld
java -Djava.system.class.loader=com.yourcorp.YourClassLoader HelloWorld
如果我们指定了这个参数,JDK 内建的应用类加载器就会成为定制加载器的父亲,这种方式通常用在类似需要改变双亲委派模式的场景。
具体请参考下图:
至于前面被问到的双亲委派模型,参考这个结构图更容易理解。试想,如果不同类加载器都自己加载需要的某个类型,那么就会出现多次重复加载,完全是种浪费。
通常类加载机制有三个基本特征:
在 JDK 9 中,由于 Jigsaw 项目引入了 Java 平台模块化系统(JPMS),Java SE 的源代码被划分为一系列模块。
类加载器,类文件容器等都发生了非常大的变化,我这里总结一下:
首先,确认要修改的类文件已经编译好,并按照对应模块(假设是 java.base)结构存放, 然后,给模块打补丁:
java --patch-module java.base=your_patch yourApp
结合了 Layer,目前的 JVM 内部结构就变成了下面的层次,内建类加载器都在 BootLayer 中,其他 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。
谈到类加载器,绕不过的一个话题是自定义类加载器,常见的场景有:
我们可以总体上简单理解自定义类加载过程:
具体实现我建议参考这个用例。
我在【专栏第 1 讲】中,就提到了由于字节码是平台无关抽象,而不是机器码,所以 Java 需要类加载和解释、编译,这些都导致 Java 启动变慢。谈了这么多类加载,有没有什么通用办法,不需要代码和其他工作量,就可以降低类加载的开销呢?
这个,可以有。
简单来说,AppCDS 基本原理和工作过程是:
首先,JVM 将类信息加载, 解析成为元数据,并根据是否需要修改,将其分类为 Read-Only 部分和 Read-Write 部分。然后,将这些元数据直接存储在文件系统中,作为所谓的 Shared Archive。命令很简单:
Java -Xshare:dump -XX:+UseAppCDS -XX:SharedArchiveFile=<jsa> \
-XX:SharedClassListFile=<classlist> -XX:SharedArchiveConfigFile=<config_file>
第二,在应用程序启动时,指定归档文件,并开启 AppCDS。
Java -Xshare:on -XX:+UseAppCDS -XX:SharedArchiveFile=<jsa> yourApp
通过上面的命令,JVM 会通过内存映射技术,直接映射到相应的地址空间,免除了类加载、解析等各种开销。
AppCDS 改善启动速度非常明显,传统的 Java EE 应用,一般可以提高 20%~30% 以上;实验中使用 Spark KMeans 负载,20 个 slave,可以提高 11% 的启动速度。
与此同时,降低内存 footprint,因为同一环境的 Java 进程间可以共享部分数据结构。前面谈到的两个实验,平均可以减少 10% 以上的内存消耗。
当然,也不是没有局限性,如果恰好大量使用了运行时动态类加载,它的帮助就有限了。
今天我梳理了一下类加载的过程,并针对 Java 新版中类加载机制发生的变化,进行了相对全面的总结,最后介绍了一个改善类加载速度的特性,希望对你有所帮助。
关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗?今天的思考题是,谈谈什么是 Jar Hell 问题?你有遇到过类似情况吗,如何解决呢?
请你在留言区写写你对这个问题的思考,我会选出经过认真思考的留言,送给你一份学习奖励礼券,欢迎你与我一起讨论。
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