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类加载机制

原创 Linux操作系统 作者:AllenHU0320 时间:2011-09-06 08:32:56 0 删除 编辑

《分布式Java应用:基础与实践》林昊 电子工业出版社 第3章深入理解JVM,本章以Sun JDK 1.6为例来对JVM进行介绍。本节为大家介绍类加载机制。

类加载机制是指.class文件加载到JVM,并形成Class对象的机制,之后应用就可对Class对象进行实例化并调用,类加载机制可在运行时动态加载外部的类、远程网络下载过来的class文件等。除了该动态化的优点外,还可通过JVM的类加载机制来达到类隔离的效果,例如Application Server中通常要避免两个应用的类互相干扰。

JVM将类加载过程划分为三个步骤:装载、链接和初始化。装载和链接过程完成后,即将二进制的字节码转换为Class对象;初始化过程不是加载类时必须触发的,但最迟必须在初次主动使用对象前执行,其所作的动作为给静态变量赋值、调用()等。

整个过程如图3.3所示。

装载(Load)->链接(Link)[校验(Verify)->准备(Prepare)->解析(Resolve)]->初始化(Initialize)

1. 装载(Load)

装载过程负责找到二进制字节码并加载至JVM中,JVM通过类的全限定名(com.bluedavy. HelloWorld)及类加载器(ClassLoaderA实例)完成类的加载,同样,也采用以上两个元素来标识一个被加载了的类:类的全限定名+ClassLoader实例ID。类名的命名方式如下:

对于接口或非数组型的类,其名称即为类名,此种类型的类由所在的ClassLoader负责加载;

对于数组型的类,其名称为"["+(基本类型或L+引用类型类名;),例如byte[] bytes=new byte[512],该bytes的类名为:[B; Object[] bjects=new Object[10],objects的类名则为:[Ljava.lang.Object;,数组型类中的元素类型由所在的ClassLoader负责加载,但数组类则由JVM直接创建。

2. 链接(Link)

链接过程负责对二进制字节码的格式进行校验、初始化装载类中的静态变量及解析类中调用的接口、类。

二进制字节码的格式校验遵循Java Class File Format(具体请参见JVM规范)规范,如果格式不符合,则抛出VerifyError;校验过程中如果碰到要引用到其他的接口和类,也会进行加载;如果加载过程失败,则会抛出NoClassDefFoundError。

在完成了校验后,JVM初始化类中的静态变量,并将其值赋为默认值。

最后对类中的所有属性、方法进行验证,以确保其要调用的属性、方法存在,以及具备相应的权限(例如public、private域权限等)。如果这个阶段失败,可能会造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等错误信息。

3. 初始化(Initialize)

初始化过程即执行类中的静态初始化代码、构造器代码及静态属性的初始化,在以下四种情况下初始化过程会被触发执行:

1)调用了new;

2)反射调用了类中的方法;

3)子类调用了初始化;

4)JVM启动过程中指定的初始化类。

在执行初始化过程之前,首先必须完成链接过程中的校验和准备阶段,解析阶段则不强制。

JVM的类加载通过ClassLoader及其子类来完成,分为Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader、System ClassLoader及User-Defined ClassLoader。这4种ClassLoader的关系如图3.4所示。

Bootstrap Class Loader----java_home/jre/lib/rt.jar

Extention Class Loader ----java_home/jre/lib/ext/*.jar

System Class Loader    ----classpath

UserDefined Class Loader

1. Bootstrap ClassLoader

Sun JDK采用C++实现了此类,此类并非ClassLoader的子类,在代码中没有办法拿到这个对象,Sun JDK启动时会初始化此ClassLoader,并由ClassLoader完成$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有class文件的加载,jar中包含了Java规范定义的所有接口及实现。

2. Extension ClassLoader

JVM用此ClassLoader来加载扩展功能的一些jar包,例如Sun JDK中目录下有dns工具jar包等,在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为ExtClassLoader。

3. System ClassLoader

JVM用此ClassLoader来加载启动参数中指定的Classpath中的jar包及目录,在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为AppClassLoader。

例如一段这样的代码:

  1. public class ClassLoaderDemo {  
  2.  
  3.     public static void main(String[] args) throws Exception{  
  4.         System.out.println(ClassLoaderDemo.class.getClassLoader());  
  5.         System.out.println(ClassLoaderDemo.class.getClassLoader().getParent());  
  6.      System.out.println(ClassLoaderDemo.class.
  7. getClassLoader().getParent().getParent());  
  8.     }  
  9.  

执行后显示的信息类似如下:

  1. (sun.misc.Launcher$AppClassLoader)  
  2. (sun.misc.Launcher$ExtClassLoader)  
  3. null 

按照上面的描述,就可看到典型的System ClassLoader、Extension ClassLoader,而由于Bootstrap ClassLoader并不是Java中的ClassLoader,因此Extension ClassLoader的parent为null。

4. User-Defined ClassLoader

User-Defined ClassLoader是Java开发人员继承ClassLoader抽象类自行实现的ClassLoader,基于自定义的ClassLoader可用于加载非Classpath中(例如从网络上下载的jar或二进制)的jar及目录、还可以在加载之前对class文件做一些动作,例如解密等。

JVM的ClassLoader采用的是树形结构,除BootstrapClassLoader外,其他的ClassLoader都会有parent ClassLoader,User-Defined ClassLoader默认的parent ClassLoader为System ClassLoader。加载类时通常按照树形结构的原则来进行,也就是说,首先应从parent ClassLoader中尝试进行加载,当parent中无法加载时,应再尝试从System ClassLoader中进行加载,System ClassLoader同样遵循此原则,在找不到的情况下会自动从其parent ClassLoader中进行加载。值得注意的是,由于JVM是采用类名加Classloader的实例来作为Class加载的判断的,因此加载时不采用上面的顺序也是可以的,例如加载时不去parent ClassLoader中寻找,而只在当前的ClassLoader中寻找,会造成树上多个不同的ClassLoader中都加载了某Class,并且这些Class的实例对象都不相同,JVM会保证同一个ClassLoader实例对象中只能加载一次同样名称的Class,因此可借助此来实现类隔离的需求,但有时也会带来困惑,例如ClassCastException。因此在加载类的顺序上要根据需求合理把握,尽量保证从根到最下层的ClassLoader上的Class只加载了一次。

ClassLoader抽象类提供了几个关键的方法:

loadClass

findLoadedClass

findClass

findSystemClass

defineClass

resolveClass

根据上面的描述,在实际的应用中,JVM类加载过程会抛出这样那样的异常,这些情况下掌握各种异常产生的原因是最为重要的,下面来看类加载方面的常见异常。

1. ClassNotFoundException

2. NoClassDefFoundError

3. LinkageError

4. ClassCastException


 

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