類隔離實現(xiàn)之自定義類加載器的擴展

1、前言

JVM內(nèi)部架構(gòu)包含類加載器、內(nèi)存區(qū)域、執(zhí)行引擎等。日常開發(fā)中，我們編寫的java文件被編譯成class文件后，jvm會進(jìn)行加載并運行使用類。本次僅對JVM加載部分進(jìn)行分析，了解并掌握加載機制。

2、類加載是什么？

類加載是一種過程，是將class文件加載到j(luò)vm內(nèi)存的過程。當(dāng)代碼邏輯中需要引用類時，通過類加載器加載引用類對象并存放堆中，以供代碼調(diào)用。

3、類加載過程

注：類加載過程包含 加載、鏈接（驗證、準(zhǔn)備、解析）、初始化

3.1 加載

加載：將類的class字節(jié)碼文件讀到內(nèi)存，將其存放到運行時數(shù)據(jù)區(qū)的方法區(qū)，然后在堆區(qū)生成class對象，封裝類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。（方法區(qū)-》數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，堆區(qū)-》class對象）

過程：java文件-》通過java c編譯成字節(jié)碼.class文件-》引導(dǎo)類加載器（裝載核心類庫）-》擴展類加載器（將指定目錄jar包裝載至工作庫）-》系統(tǒng)類加載器（將指定目錄的類和jar包裝載至工作庫，常用）-》自定義類加載器（實現(xiàn)加載指定類或自定義加密等操作）

緩存：類加載到j(luò)vm后，會緩存一段時間（不管是否被引用），待jvm執(zhí)行垃圾回收時才會回收未使用的緩存類，釋放空間。

類加載器：

• 啟動類加載器：Bootstrap ClassLoader由C/C++實現(xiàn)，嵌套在JVM中，java程序無法直接操作；負(fù)責(zé)加載Java核心類庫（$JAVA_HOME中jre/lib目錄下或-Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑目錄下，如java.*開頭的類）的class文件。
• 擴展類加載器：Extension ClassLoader由Java編寫，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實現(xiàn)。加載java平臺擴展的jar包，負(fù)責(zé)加載（java.ext.dirs目錄或$JAVA_HOME中jre/lib/ext目錄，如javax.開頭的類）的class文件。
• 應(yīng)用程序類加載器：Application ClassLoader由Java編寫，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader實現(xiàn)。負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（classpath）的class文件，java程序一般默認(rèn)使用應(yīng)用程序類加載器。
• 自定義類加載器：一般情況下java程序使用上面三種類加載器就滿足了，一些特殊情況下，我們需要自定義加載指定路徑的類時，就需要繼承java.lang.ClassLoader類，重寫find Class或loadClass均可實現(xiàn)。（類隔離實踐中就采用此方案）

類加載機制

• 全盤負(fù)責(zé)：當(dāng)加載器加載某個class時，該class所引用的其他class也一并被加載（自定義加載class除外）；
• 緩存機制：所有加載過的class均被緩存，當(dāng)程序中使用某個class時，優(yōu)先從緩存區(qū)中獲取，如果緩存區(qū)不存在，才會讀取該class的字節(jié)碼文件，加載為class對象，并存入緩存區(qū)，以便后續(xù)使用。（修改class后，需要重啟jvm才會生效）
• 雙親委派：是一種類加載安全機制，當(dāng)類加載器需要加載某個class文件時，會優(yōu)先把加載委托給父類加載器處理，如果加載成功則返回，否則繼續(xù)向上委托直至最頂層類加載器，當(dāng)父類加載器在加載范圍內(nèi)均沒有找到所需class文件，即表示無法完成加載，此時子加載器才會去加載。（先向上委托父類加載器處理，都失敗后在自己再加載）
• 反向委派：主要是用于第三方包加載，第三方包的類不在jdk/lib目錄，所以Bootstrap ClassLoader引導(dǎo)類加載器無法直接加載SPI（Service Provider Interface,服務(wù)提供者接口）的實現(xiàn)類，雙親委派機制中定義無法反向委托Application Classloader系統(tǒng)加載器加載，因此需要一種特殊的ContextClassLoader線程上下文類加載器來加載第三方的類庫。（*** 此處SPI接口后續(xù)文章分析 ***）

加載實現(xiàn)方式

/*
  * 類加載方式
  * 1、類加載器，此方式加載的class對象還沒有完成鏈接階段
  * 2、java.lang.Class，此方式加載的class對象是完成初始化的
  * */
 ClassLoader classLoader = ClassSegregationTest.class.getClassLoader();
 classLoader.loadClass("com.lgy.example.class_segregation.SegregationTestA");
 // 默認(rèn)初始化class對象
 Class.forName("com.lgy.example.class_segregation.SegregationTestA");
 // 默認(rèn)不初始化，并且指定類加載器進(jìn)行加載
 Class.forName("com.lgy.example.class_segregation.SegregationTestA", false, classLoader);

3.2 鏈接

鏈接是將java二進(jìn)制代碼合并至jvm運行的過程。

鏈接過程可分為 驗證、準(zhǔn)備、解析 三個階段。

驗證

• 保證正確加載類，包括文件格式驗證（Class文件格式的規(guī)范）、元數(shù)據(jù)驗證（Java語言規(guī)范）、字節(jié)碼驗證（通過數(shù)據(jù)流和控制流分析）、符號引用驗證。

準(zhǔn)備

• 在方法區(qū)為靜態(tài)變量（static修飾）分配內(nèi)存，并設(shè)置類變量初始值（通常是數(shù)據(jù)類型默認(rèn)的零值，如0,0L,null,false等）。
• 顯示賦值是在類對象實例化時處理（即 public static int x=10，準(zhǔn)備階段初始值為0，在對象實例化時，才被賦值10）

解析

• 虛擬機中將常量池的符號引用（常量名）替換為直接引用（目標(biāo)的指針地址）的過程；
• 符號引用的目標(biāo)不一定在內(nèi)存中，但常量名（或稱字面量）是明確定義在jvm規(guī)范的class文件格式中。
• 直接引用是指向目標(biāo)的指針地址、相對偏移量或間接定位到目標(biāo)的句柄，是肯定在內(nèi)存中。

3.3 初始化

執(zhí)行每個類的構(gòu)造方法init()的過程，init()方法是java編譯器自動收集、合并所有類變量的賦值動作和靜態(tài)代碼塊語句，完成初始化。

初始化步驟

• 類未被加載或鏈接，則程序先加載并鏈接該類
• 優(yōu)先初始化直接父類，再執(zhí)行子類初始化
• 依次執(zhí)行類中的初始化語句

初始化條件（只有對類主動使用時才會初始化類）

• 創(chuàng)建類實例（new Class）
• 類或接口靜態(tài)變量的引用或賦值
• 類靜態(tài)方法的調(diào)用
• 反射加載（Class.forName('')）
• 子類被初始化，其父類也會被初始化
• jvm啟動時被標(biāo)記啟動類的類，或直接java.exe命令運行指定類

演示代碼如下:

/**
 * 定義父類與子類
 */
 class Parent {
  public static int a = 10;
  static {
   System.out.println(" 父類初始化 ");
  }
 }
 class Children extends Parent{
  public static int a = 100;
  static {
   System.out.println(" 子類初始化 ");
  }
 }
 public static void main(String[] args) throws Exception {
  // 子類沒有定義變量a （ public static int a = 100;）
    System.out.println(Children.a); // 輸出 --  父類初始化 -- 10 
    // 主動調(diào)用時才會執(zhí)行類的靜態(tài)塊
    -----------------------------------------
    // 子類定義變量a 
    System.out.println(Children.a); // 輸出 -- 父類初始化 -- 子類初始化  -- 100 
  // 子類被初始化時，優(yōu)先初始化父類，所以父類靜態(tài)塊執(zhí)行；調(diào)用變量a屬于子類定義，屬于主動調(diào)用，所以子類靜態(tài)塊執(zhí)行
 }

• 調(diào)試輸出加載對象（ VM options 中添加 -XX:+TraceClassLoading ）
  • [Loaded com.lgy.example.class_segregation.Parent from file:/E:/dataway-demo/example/target/classes/]
  • [Loaded com.lgy.example.class_segregation.Children from file:/E:/dataway-demo/example/target/classes/]
• 僅在首次主動使用才會被初始化。

4、總結(jié)

以上就是關(guān)于自定義類加載器、加載過程的全部內(nèi)容。

本文是針對于類隔離實現(xiàn)之自定義類加載器的擴展，對于應(yīng)用中類加載階段的進(jìn)一步分析。