【JVM】（二）深入理解Java类加载机制与双亲委派模型

我会带着你远行 2023-10-14 11:16 52阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  前言
 *  一、类加载过程
 *   *  1.1 加载（Loading）
     *  1.2 验证（Verification）
     *  1.3 准备（Preparation）
     *  1.4 解析（Resolution）
     *  1.5 初始化（Initialization）
 *  二、双亲委派模型
 *   *  2.1 类加载器
     *  2.2 什么是双亲委派模型
     *  2.3 双亲委派模型的解决的问题
     *  2.4 破坏双亲委派模型

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# 前言 #

在 Java 中，类加载机制是 Java 虚拟机（JVM）的一个重要组成部分，它负责在运行时将 Java 类加载到内存中，并转换为可执行代码。理解类加载机制对于深入理解 Java 的运行机制和开发高质量的Java应用程序至关重要。

本文将深入探讨 Java 的类加载过程以及双亲委派模型。首先，我将详细介绍类加载过程的五个阶段。接下来，将重点介绍双亲委派模型以及它解决的问题。

# 一、类加载过程 #

## 1.1 加载（Loading） ##

加载是类加载的第一个阶段。在这个阶段，**JVM 会根据类的全限定名（Fully Qualified Name）找到对应的字节码文件，并将其加载到内存中**。加载阶段不仅仅包括从文件系统中读取字节码，还可能包括从网络、数据库等地方加载类的字节码。

**详细说来，类的加载阶段需要完成三个任务：**

1.  **获取字节流**：  
    Java虚拟机根据类的全限定名（Fully Qualified Name）来获取定义该类的二进制字节流。这个过程可以通过从本地文件系统、网络、JAR包等位置读取类的字节码文件，并将其存储在内存中。
2.  **转化为运行时数据结构**：  
    在获取类的字节流后，Java虚拟机将这个字节流所代表的静态存储结构（如类、字段、方法、常量池等）转化为方法区的运行时数据结构。这个过程包括解析字节码中的各种信息，并生成对应的运行时数据结构，用于在运行时执行类的各种操作。
3.  **生成java.lang.Class对象**：  
    在内存中生成一个代表这个类的`java.lang.Class`对象。这个`Class`对象是在JVM中表示类的元数据信息的对象，通过这个对象可以访问类的方法、字段、构造函数等信息，以及执行类的各种操作。这个`Class`对象也是Java程序中获取类的入口，通过它可以访问类的各种静态和动态信息。

> **注意**：`“加载”（Loading）阶段是整个“类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段，它和类加载 （Class Loading） 是不同的，一个是加载 （Loading）另一个是类加载 （Class Loading），不要把二者混淆。`

## 1.2 验证（Verification） ##

验证是类加载过程的第二个阶段。**在验证阶段，JVM 会对加载的字节码进行验证，确保字节码的结构是合法的、符合规范的，不包含安全漏洞和不符合 JVM 规范的内容。这个阶段是确保类加载过程的安全性和正确性的重要步骤**。

**下图是 Java 虚拟机规范中的 Class 文件的结构定义，同时也是验证阶段所需要验证的：**  
![557fa7dec0c940d1b0e3d54d5293c87b.png][]

## 1.3 准备（Preparation） ##

准备是类加载过程的第三个阶段。**在准备阶段，JVM会为类的静态变量分配内存，并设置初始值（通常是零值）**。**这里并不包括对静态变量赋值的操作，赋值的操作将在初始化阶段进行**。

**例如有这样一段代码：**

public static int value = 100;

在准备阶段，JVM 会给静态变量 `value` 分配内存，但是设置的初值是 `0`，而不是 `100`，因为赋值操作是在初始化阶段完成的。

## 1.4 解析（Resolution） ##

解析是类加载过程的第四个阶段。**在解析阶段，JVM 会将符号引用替换为直接引用**。

*  符号引用是一种**在编译期产生的，用于描述类、字段、方法等的引用**。
 *  直接引用是指**直接指向内存中的地址的引用**。

解析阶段的目的是**将符号引用解析成直接引用，以便在之后的程序执行中更快速地定位到所引用的目标**。

## 1.5 初始化（Initialization） ##

初始化是类加载过程的最后一个阶段。**在初始化阶段，JVM会执行类的初始化代码，包括对`静态变量赋值`和`执行静态初始化块`**。类的初始化是在首次使用类的时候触发的，只有在初始化完成后，类才算是被真正加载和准备好了。

# 二、双亲委派模型 #

## 2.1 类加载器 ##

一提到 JVM 的类加载机制，不由自主的就会想到 `双亲委派模型`，而要理解这个模型，首先就需要了解类加载器。

**在 JVM 中，默认有三种类加载器：**

1.  **`启动类加载器（Bootstrap Class Loader）`**
    
     *  这是JVM内部实现的特殊类加载器，**由 C++ 编写，而不是 Java 类**；
     *  它**负责加载 JVM 自身需要的类**，包括核心类库（如`java.lang`包中的类）等；
     *  **启动类加载器是类加载器层次结构的最顶层，没有父加载器**；
     *  由于其是C++编写的，因此在Java代码中无法直接引用它。
2.  **`扩展类加载器（Extension Class Loader）`**

*  扩展类加载器是 Java 类，由`sun.misc.Launcher$ExtClassLoader`实现；
 *  它**负责加载 JRE（Java Runtime Environment）的扩展目录 `lib/ext`中的类**；
 *  `扩展类加载器`是`启动类加载器`的`子加载器`；
 *  同时也是类加载器层次结构中的中间层。

1.  **`应用程序类加载器（Application Class Loader）`**

*  应用程序类加载器也是 Java 类，由`sun.misc.Launcher$AppClassLoader`实现；
 *  它**负责加载应用程序 `classpath`下的类，即`我们自己编写的 Java 类`**；
 *  `应用程序类加载器`是`扩展类加载器`的`子加载器`；
 *  同时处于类加载器层次结构中的最底层。

以上三种类加载器构造了 JVM 的类加载器层次结构，即`双亲委派模型`。除了`启动类加载器`是由 C++ 语言实现外，其他的所有加载器均由 Java 实现，并且都继承了`java.lang.ClassLoader`。

**下图展示了 JVM 的类加载器的层次结构：**  
![fa7b851fa7fc4799ab48d59a76388f44.png][]

当然，除了默认的这三个类加载器外，开发人员还可以根据自己的需求实现自定义的类加载器。自定义类加载器需要继承自`java.lang.ClassLoader`，通过重写`findClass`方法来实现特定的类加载逻辑。自定义的类加载器常用于实现插件机制，热部署等功能。

## 2.2 什么是双亲委派模型 ##

双亲委派模型是 Java 类加载器的一种类加载机制，简单来说，核心思想就是：**一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成。**

**双亲委派模型的类加载过程大致如下图所示：**  
![bafadfaace14425e90d150569e9c871c.png][]

*  当一个类加载器收到加载请求的时候（子加载器），它**首先会把这个加载请求委派给其父加载器**，父加载器可能会继续委托给其父加载器，依次递归。
 *  到达类加载器层次结构的最顶层（启动类加载器）后，再尝试进行类加载。
 *  如果**当前加载器无法加载时，就会将加载任务交给其子加载器，由子加载器尝试进行类加载**。

## 2.3 双亲委派模型的解决的问题 ##

**双亲委派模型主要解决了两个问题：**

1.  **类的隔离和防止冲突**

*  在复杂的 Java 应用程序中，可**能会涉及许多不同的类库和模块。这些类库和模块可能引用了相同的类名，如果不加以限制，可能就会导致类名冲突**。
 *  双亲委派模型通过层级结构的类加载器，**确保每个类加载器都将加载任务优先委派给父加载器进行加载，这样同名的类只会被加载一次，并且加载过程是有序的，避免了类的冲突和混淆**。

> 举个例子：
> 
>  *  假设应用程序的类加载器需要加载 `java.lang.String` 类。
>  *  它首先会委派给扩展类加载器，扩展类加载器也找不到，再委派给启动类加载器。因为启动类加载器能够找到并加载 `java.lang.String` 类，所以它会将该类返回给应用程序类加载器。
>  *  由于类加载器的委派顺序，即便应用程序中有`自定义`的 `java.lang.String` 类，也不会被加载，从而保证了类的隔离和防止冲突。

1.  **安全性和可信任代码的执行**

Java中的核心类库位于JVM内部，它们提供了Java编程语言的基本功能。这些核心类库在 JVM 启动时由启动类加载器加载。**通过双亲委派模型，可以`确保核心类库只会被启动类加载器加载，而不会被应用程序类加载器或其他自定义类加载器加载`**。

`这种安排提高了Java程序的安全性，因为核心类库的来源可信，不会被恶意类替代`。如果允许应用程序类加载器直接加载核心类库，那么恶意类可能会替代核心类库中的某些类，从而导致安全漏洞。**双亲委派模型通过限制核心类库的加载，确保了可信任代码的执行，并防止恶意类的篡改**。

## 2.4 破坏双亲委派模型 ##

**尽管双亲委派模型在大多数情况下是有益的，但是有些特定的场景下就需要破坏它**，其中 **`JDBC` 就是一个典型的例子**：

*  在 JDBC 中，**数据库厂商提供的自己的 JDBC 驱动，这些驱动`实现了 JDBC 标准接口的类库`**。由于 JDBC 驱动需要和特定的数据库交互，因此它们通常由数据库厂商提供，而不是 Java 标准的一部分。而数据库厂商非常多，因此 JDBC 驱动的种类也就非常多了。
 *  考虑到这种情况，JDBC 驱动就需要被应用程序自己加载，而不是委托给父类。如果此时还是按照`双亲委派模型`的规则进行类加载，那么加载的就是 Java 提供的 `JDBC 标准接口的类库`中的类了，而不是特定数据库的类。
 *  为了解决这个问题，JDBC 驱动的加载**通常是通过反射来实现的**，**应用程序类加载器可以直接加载驱动的类，而不通过双亲委派模型。这样应用程序可以加载自己所需的特定驱动类，而不受父类加载器的限制**。

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