Java JVM类加载阶段双亲委派模式-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了Java JVM类加载阶段双亲委派模式。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

类加载阶段

加载

将类的字节码载入方法区中，内部采用 C++ 的 instanceKlass 描述 java 类，它的重要 field 有：

_java_mirror 即 java 的类镜像，例如对 String 来说，就是 String.class，作用是把 klass 暴露给 java 使用
_super 即父类
_fields 即成员变量
_methods 即方法
_constants 即常量池
_class_loader 即类加载器
_vtable 虚方法表
_itable 接口方法表

如果这个类还有父类没有加载，先加载父类

加载和链接可能是交替运行的

instanceKlass 这样的【元数据】是存储在方法区（1.8 后的元空间内），但 _java_mirror是存储在堆中，可以通过前面介绍的 HSDB 工具查看

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链接

验证

验证类是否符合 JVM规范，安全性检查

用 UE 等支持二进制的编辑器修改 HelloWorld.class 的魔数，在控制台运行

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准备

为 static 变量分配空间，设置默认值

static 变量在 JDK 7 之前存储于 instanceKlass 末尾，从 JDK 7 开始，存储于 _java_mirror 末尾
static 变量分配空间和赋值是两个步骤，分配空间在准备阶段完成，赋值在初始化阶段完成
static 变量是 final 的基本类型，以及字符串常量，那么编译阶段值就确定了，赋值在准备阶段完成
如果 static 变量是 final 的，但属于引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成

解析

将常量池中的符号引用解析为直接引用

public class Load2 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IOException {
        ClassLoader classloader = Load2.class.getClassLoader();
        // loadClass 方法不会导致类的解析和初始化
        Class<?> c = classloader.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.C");
        // 这里就会解析 C类了，C类声明了D类的成员变量，所以也会加载D类
        // new C();
        System.in.read();
    }
}

class C {
    D d = new D();
}

class D {
}

初始化

`<cinit>()V` 方法

初始化即调用 <cinit>()V ，虚拟机会保证这个类的『构造方法』的线程安全

发生的时机

概括得说，类初始化是【懒惰的】

main 方法所在的类，总会被首先初始化
首次访问这个类的静态变量或静态方法时
子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
子类访问父类的静态变量，只会触发父类的初始化
Class.forName
new 会导致初始化

不会导致类初始化的情况

访问类的 static final 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
类对象.class 不会触发初始化
创建该类的数组不会触发初始化
类加载器的 loadClass 方法
Class.forName 的参数 2 为 false 时

class A {
    static int a = 0;
    static {
        System.out.println("a init");
    }
}

class B extends A {
    final static double b = 5.0;
    static boolean c = false;
    static {
        System.out.println("b init");
    }
}

验证（实验时请先全部注释，每次只执行其中一个）

public class Load3 {
    static {
        System.out.println("main init");
    }

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        // 1. 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
        System.out.println(B.b);
        // 2. 类对象.class 不会触发初始化
        System.out.println(B.class);
        // 3. 创建该类的数组不会触发初始化
        System.out.println(new B[0]);
        // 4. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        cl.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.B");
        // 5. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
        ClassLoader c2 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.B", false, c2);

        // 1. 首次访问这个类的静态变量或静态方法时
        System.out.println(A.a);
        // 2. 子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
        System.out.println(B.c);
        // 3. 子类访问父类静态变量，只触发父类初始化
        System.out.println(B.a);
        // 4. 会初始化类 B，并先初始化类 A
        Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.B");
    }
}

懒惰初始化单例模式

public final class Singleton {
    private Singleton() { }
    // 内部类中保存单例
    private static class LazyHolder {
        static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    // 第一次调用 getInstance 方法，才会导致内部类加载和初始化其静态成员
    public static Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }
}

以上的实现特点是：

懒惰实例化
初始化时的线程安全是有保障的

类加载器

以 JDK 8 为例：

名称	加载哪的类	说明
Bootstrap ClassLoader	JAVA_HOME/jre/lib	无法直接访问
Extension ClassLoader	JAVA_HOME/jre/lib/ext	上级为 Bootstrap，显示为 null
Application ClassLoader	classpath	上级为 Extension
自定义类加载器	自定义	上级为 Application

启动类加载器

创建一个类：

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class F {
    static {
        System.out.println("bootstrap F init");
    }
}

执行：

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class Load5_1 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.F");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

输出：

E:\git\jvm\out\production\jvm>java -Xbootclasspath/a:. cn.itcast.jvm.t3.load.Load5
bootstrap F init
null

设置JVM参数：

-Xbootclasspath 表示设置 bootclasspath，其中 /a:. 表示将当前目录追加至 bootclasspath 之后

可以用这个办法替换核心类

java -Xbootclasspath:
java -Xbootclasspath/a:<追加路径>
java -Xbootclasspath/p:<追加路径>

扩展类加载器

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class G {
    static {
        System.out.println("classpath G init");
    }
}

执行：

public class Load5_2 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.G");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

输出：

classpath G init
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

写一个同名的类

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class G {
    static {
        System.out.println("ext G init");
    }
}

打个 jar 包

E:\git\jvm\out\production\jvm>jar -cvf my.jar cn/itcast/jvm/t3/load/G.class
已添加清单
正在添加: cn/itcast/jvm/t3/load/G.class(输入 = 481) (输出 = 322)(压缩了 33%)

将 jar 包拷贝到 JAVA_HOME/jre/lib/ext

重新执行 Load5_2

输出

ext G init
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@29453f44

没打jar包的时候，用的是应用类加载器，打了jar包后用的是扩展类加载器，并且只加载了jar包中的类，没有加载应用中自己写的类，类加载时会先看上级有没有加载过，有的话就不会再加载了。

双亲委派模式

所谓的双亲委派，就是指调用类加载器的 loadClass 方法时，查找类的规则

这里的双亲，翻译为上级似乎更为合适，因为它们并没有继承关系

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 1. 检查该类是否已经加载
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    // 2. 有上级的话，委派上级 loadClass
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 3. 如果没有上级了（ExtClassLoader），则委派BootstrapClassLoader
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
            }

            if (c == null) {
                long t1 = System.nanoTime();
                // 4. 每一层找不到，调用 findClass 方法（每个类加载器自己扩展）来加载
                c = findClass(name);
                // 5. 记录耗时
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }

        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

例如：

public class Load5_3 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Load5_3.class.getClassLoader().loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.H");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

执行流程为：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader //1 处，开始查看已加载的类，结果没有
sun.misc.Launcher$AppClassLoader // 2 处，委派上级 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader.loadClass()
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 1 处，查看已加载的类，结果没有
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 3 处，没有上级了，则委派 BootstrapClassLoader查找
BootstrapClassLoader 是在 JAVA_HOME/jre/lib 下找 H 这个类，显然没有
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 4 处，调用自己的 findClass 方法，是在JAVA_HOME/jre/lib/ext 下找 H 这个类，显然没有，回到 sun.misc.Launcher$AppClassLoader的 // 2 处
继续执行到 sun.misc.Launcher$AppClassLoader // 4 处，调用它自己的 findClass 方法，在classpath 下查找，找到了

线程上下文类加载器

在使用 JDBC 时，都需要加载 Driver 驱动，不知道你注意到没有，不写

Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")

也是可以让 com.mysql.jdbc.Driver 正确加载的，你知道是怎么做的吗？

让我们追踪一下源码：

public class DriverManager {

// 注册驱动的集合
private final static CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> registeredDrivers = new CopyOnWriteArrayList<>();

// 初始化驱动
static {
    loadInitialDrivers();
    println("JDBC DriverManager initialized");
}

先不看别的，看看 DriverManager 的类加载器：

System.out.println(DriverManager.class.getClassLoader());

打印 null，表示它的类加载器是 Bootstrap ClassLoader，会到 JAVA_HOME/jre/lib 下搜索类，但JAVA_HOME/jre/lib 下显然没有 mysql-connector-java-5.1.47.jar 包，这样问题来了，在DriverManager 的静态代码块中，怎么能正确加载 com.mysql.jdbc.Driver 呢？

继续看 loadInitialDrivers() 方法：

private static void loadInitialDrivers() {
    String drivers;
    try {
        drivers = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() {
            public String run() {
                return System.getProperty("jdbc.drivers");
            }
        });
    } catch (Exception ex) {
        drivers = null;
    }

    // 1）使用 ServiceLoader 机制加载驱动，即 SPI
    AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
        public Void run() {
            ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
            Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
            try{
                while(driversIterator.hasNext()) {
                    driversIterator.next();
                }
            } catch(Throwable t) {
                // Do nothing
            }
            return null;
        }
    });
    println("DriverManager.initialize: jdbc.drivers = " + drivers);

    // 2）使用 jdbc.drivers 定义的驱动名加载驱动
    if (drivers == null || drivers.equals("")) {
        return;
    }
    String[] driversList = drivers.split(":");
    println("number of Drivers:" + driversList.length);
    for (String aDriver : driversList) {
        try {
            println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
            // 这里的 ClassLoader.getSystemClassLoader() 就是应用程序类加载器
            Class.forName(aDriver, true, ClassLoader.getSystemClassLoader());
        } catch (Exception ex) {
            println("DriverManager.Initialize: load failed: " + ex);
        }
    }
}

先看 2）发现它最后是使用 Class.forName 完成类的加载和初始化，关联的是应用程序类加载器，因此可以顺利完成类加载

再看 1）它就是大名鼎鼎的 Service Provider Interface （SPI）约定如下，在 jar 包的 META-INF/services 包下，以接口全限定名名为文件，文件内容是实现类名称

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这样就可以使用

ServiceLoader<接口类型> allImpls = ServiceLoader.load(接口类型.class);
Iterator<接口类型> iter = allImpls.iterator();
while(iter.hasNext()) {
    iter.next();
}

来得到实现类，体现的是【面向接口编程+解耦】的思想，在下面一些框架中都运用了此思想：

JDBC
Servlet 初始化器
Spring 容器
Dubbo（对 SPI 进行了扩展）

接着看 ServiceLoader.load 方法：

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    // 获取线程上下文类加载器
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

线程上下文类加载器是当前线程使用的类加载器，默认就是应用程序类加载器，它内部又是由Class.forName 调用了线程上下文类加载器完成类加载，具体代码在 ServiceLoader 的内部类LazyIterator 中：

private S nextService() {
    if (!hasNextService())
        throw new NoSuchElementException();

    String cn = nextName;
    nextName = null;
    Class<?> c = null;
    try {
        c = Class.forName(cn, false, loader);
    } catch (ClassNotFoundException x) {
        fail(service,"Provider " + cn + " not found");
    }

    if (!service.isAssignableFrom(c)) {
        fail(service, "Provider " + cn + " not a subtype");
    }

    try {
        S p = service.cast(c.newInstance());
        providers.put(cn, p);
        return p;
    } catch (Throwable x) {
        fail(service, "Provider " + cn + " could not be instantiated", x);
    }
    throw new Error(); // This cannot happen
}

自定义类加载器

问问自己，什么时候需要自定义类加载器

想加载非 classpath 随意路径中的类文件
都是通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计
这些类希望予以隔离，不同应用的同名类都可以加载，不冲突，常见于 tomcat 容器

步骤：

继承 ClassLoader 父类
要遵从双亲委派机制，重写 findClass 方法，注意不是重写 loadClass 方法，否则不会走双亲委派机制
读取类文件的字节码
调用父类的 defineClass 方法来加载类
使用者调用该类加载器的 loadClass 方法

示例：

准备好两个类文件放入 E:\myclasspath，它实现了 java.util.Map 接口，可以先反编译看一下：

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输出： true false

两个类对象相等的前提是类加载器也相等

运行期优化

即时编译

分层编译

（TieredCompilation）

public class JIT1 {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            long start = System.nanoTime();
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                new Object();
            }
            long end = System.nanoTime();
            System.out.printf("%d\t%d\n",i,(end - start));
        }
    }
}

部分输出：

JVM 将执行状态分成了 5 个层次：

0 层，解释执行（Interpreter）
1 层，使用 C1 即时编译器编译执行（不带 profifiling）
2 层，使用 C1 即时编译器编译执行（带基本的 profifiling）
3 层，使用 C1 即时编译器编译执行（带完全的 profifiling）
4 层，使用 C2 即时编译器编译执行

profifiling 是指在运行过程中收集一些程序执行状态的数据，例如【方法的调用次数】，【循环的回边次数】等

即时编译器（JIT）与解释器的区别

解释器是将字节码解释为机器码，下次即使遇到相同的字节码，仍会执行重复的解释
JIT 是将一些字节码编译为机器码，并存入 Code Cache，下次遇到相同的代码，直接执行，无需再编译
解释器是将字节码解释为针对所有平台都通用的机器码
JIT 会根据平台类型，生成平台特定的机器码

对于占据大部分的不常用的代码，我们无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行的方式运行；另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速度。执行效率上简单比较一下 Interpreter < C1 < C2，总的目标是发现热点代码（hotspot名称的由来），优化之

刚才的一种优化手段称之为【逃逸分析】，发现新建的对象是否逃逸。可以使用 -XX:-DoEscapeAnalysis 关闭逃逸分析，再运行刚才的示例观察结果

参考资料：https://docs.oracle.com/en/java/javase/12/vm/java-hotspot-virtual-machine-performance-enhancements.html#GUID-D2E3DC58-D18B-4A6C-8167-4A1DFB4888E4

方法内联

（Inlining）

private static int square(final int i) {
    return i * i;
}

System.out.println(square(9));

如果发现 square 是热点方法，并且长度不太长时，会进行内联，所谓的内联就是把方法内代码拷贝、粘贴到调用者的位置：

System.out.println(9 * 9);

还能够进行常量折叠（constant folding）的优化

System.out.println(81);

实验：

public class JIT2 {

    // -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintInlining （解锁隐藏参数）打印inlining 信息
    // -XX:CompileCommand=dontinline,*JIT2.square 禁止某个方法 inlining
    // -XX:+PrintCompilation 打印编译信息

    public static void main(String[] args) {
        int x = 0;
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            long start = System.nanoTime();
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                x = square(9);
            }
            long end = System.nanoTime();
            System.out.printf("%d\t%d\t%d\n",i,x,(end - start));
        }
    }

    private static int square(final int i) {
        return i * i;
    }
}

字段优化

JMH 基准测试请参考：http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jmh/

创建 maven 工程，添加依赖如下

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
    <artifactId>jmh-core</artifactId>
    <version>${jmh.version}</version>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
    <artifactId>jmh-generator-annprocess</artifactId>
    <version>${jmh.version}</version>
    <scope>provided</scope>
</dependency>

编写基准测试代码：

package test;

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;

@Warmup(iterations = 2, time = 1)
@Measurement(iterations = 5, time = 1)
@State(Scope.Benchmark)
public class Benchmark1 {

    int[] elements = randomInts(1_000);

    private static int[] randomInts(int size) {
        Random random = ThreadLocalRandom.current();
        int[] values = new int[size];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            values[i] = random.nextInt();
        }
        return values;
    }

    @Benchmark
    public void test1() {
        for (int i = 0; i < elements.length; i++) {
            doSum(elements[i]);
        }
    }

    @Benchmark
    public void test2() {
        int[] local = this.elements;
        for (int i = 0; i < local.length; i++) {
            doSum(local[i]);
        }
    }

    @Benchmark
    public void test3() {
        for (int element : elements) {
            doSum(element);
        }
    }

    static int sum = 0;

    @CompilerControl(CompilerControl.Mode.INLINE)
    static void doSum(int x) {
        sum += x;
    }

    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
            .include(Benchmark1.class.getSimpleName())
            .forks(1)
            .build();
        new Runner(opt).run();
    }
}

首先启用 doSum 的方法内联，测试结果如下（每秒吞吐量，分数越高的更好）：

Benchmark             Mode     Samples     Score         Score error     Units
t.Benchmark1.test1    thrpt     5         2420286.539     390747.467     ops/s
t.Benchmark1.test2    thrpt     5         2544313.594     91304.136      ops/s
t.Benchmark1.test3    thrpt     5         2469176.697     450570.647     ops/s

接下来禁用 doSum 方法内联

@CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)
static void doSum(int x) {
    sum += x;
}

测试结果如下：

Benchmark             Mode     Samples     Score         Score error     Units
t.Benchmark1.test1    thrpt     5         296141.478     63649.220       ops/s
t.Benchmark1.test2    thrpt     5         371262.351     83890.984       ops/s
t.Benchmark1.test3    thrpt     5         368960.847     60163.391       ops/s

在刚才的示例中，doSum 方法是否内联会影响 elements 成员变量读取的优化：

如果 doSum 方法内联了，刚才的 test1 方法会被优化成下面的样子（伪代码）：

@Benchmark
public void test1() {
    // elements.length 首次读取会缓存起来 -> int[] local
    for (int i = 0; i < elements.length; i++) { // 后续 999 次 求长度 <- local
        sum += elements[i]; // 1000 次取下标 i 的元素 <- local
    }
}

可以节省 1999 次 Field 读取操作

但如果 doSum 方法没有内联，则不会进行上面的优化

反射优化

package cn.itcast.jvm.t3.reflect;

import java.io.IOException;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class Reflect1 {
    public static void foo() {
        System.out.println("foo...");
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Method foo = Reflect1.class.getMethod("foo");
        for (int i = 0; i <= 16; i++) {
            System.out.printf("%d\t", i);
            foo.invoke(null);
        }
        System.in.read();
    }
}

foo.invoke 前面 0 ~ 15 次调用使用的是 MethodAccessor 的 NativeMethodAccessorImpl 实现

package sun.reflect;

import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
import sun.reflect.misc.ReflectUtil;

class NativeMethodAccessorImpl extends MethodAccessorImpl {
    private final Method method;
    private DelegatingMethodAccessorImpl parent;
    private int numInvocations;

    NativeMethodAccessorImpl(Method method) {
        this.method = method;
    }

    public Object invoke(Object target, Object[] args)
            throws IllegalArgumentException, InvocationTargetException {
        // inflationThreshold 膨胀阈值，默认 15
        if (++this.numInvocations > ReflectionFactory.inflationThreshold()
                && !ReflectUtil.isVMAnonymousClass(this.method.getDeclaringClass())) {
            // 使用 ASM 动态生成的新实现代替本地实现，速度较本地实现快 20 倍左右
            MethodAccessorImpl generatedMethodAccessor = (MethodAccessorImpl)
                (new MethodAccessorGenerator())
                    .generateMethod(
                        this.method.getDeclaringClass(),
                        this.method.getName(),
                        this.method.getParameterTypes(),
                        this.method.getReturnType(),
                        this.method.getExceptionTypes(),
                        this.method.getModifiers()
                    );
            this.parent.setDelegate(generatedMethodAccessor);
        }

        // 调用本地实现
        return invoke0(this.method, target, args);
    }

    void setParent(DelegatingMethodAccessorImpl parent) {
        this.parent = parent;
    }

    private static native Object invoke0(Method method, Object target, Object[] args);
}

当调用到第 16 次（从0开始算）时，会采用运行时生成的类代替掉最初的实现，可以通过 debug 得到类名为 sun.reflflect.GeneratedMethodAccessor1

可以使用阿里的 arthas 工具：

java -jar arthas-boot.jar
[INFO] arthas-boot version: 3.1.1
[INFO] Found existing java process, please choose one and hit RETURN.
* [1]: 13065 cn.itcast.jvm.t3.reflect.Reflect1

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Java JVM类加载阶段双亲委派模式,# JVM,java,jvm,python