竟然还有人没搞懂 JVM 类加载器？一文彻底明白

作者：Java高级架构师阿谷 2019-10-28 10:19:27

云计算

虚拟化在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。

[[280350]]

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。

简单讲下JVM中的类加载过程
JVM中的类加载和卸载的时机?
如何理解JVM中不同类加载器的概念和作用?
简单讲下JVM中的双亲委派模型?
什么情况下会破坏双亲委派模型?为什么?可否举个例子?
Tomcat中的类加载机制有了解吗?为什么这么设计?
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?
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
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;
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;
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;
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;
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：

该类所有的实例对象都已被回收;
该类的类加载器对象已经被回收;
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); 
 } 
}