詳解JVM類載入機制及類快取問題的處理方法

詳解JVM類載入機制及類快取問題的處理方法

前言

大家應該都知道,當一個Java專案啟動的時候,JVM會找到main方法,根據物件之間的呼叫來對class檔案和所引用的jar包中的class檔案進行載入(其步驟分為載入、驗證、準備、解析、初始化、使用和解除安裝),方法區中開闢記憶體來儲存類的執行時資料結構(包括靜態變數、靜態方法、常量池、類結構等),同時在堆中生成相應的Class物件指向方法區中對應的類執行時資料結構。

用最簡單的一句話來概括,類載入的過程就是JVM根據所需的class檔案的路徑,通過IO流的方式來讀取class位元組碼檔案,並通過一系列解析初始化等步驟來注入到記憶體。 java中的類載入器有:BootstrapClassLoader(最上層)、ExtClassLoader、AppClassLoader、以及使用者自定義的ClassLoader(最下層)。JVM對於不同種類的jar包(或class檔案),會有不同種類的類載入器進行載入。

對應關係如下:

BootstrapClassLoader  用於載入JVM執行所需要的類:


    JAVA_HOME/jre/lib/resources.jar:
    JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar:
    JAVA_HOME/jre/lib/sunrsasign.jar:
    JAVA_HOME/jre/lib/jsse.jar:
    JAVA_HOME/jre/lib/jce.jar:
    JAVA_HOME/jre/lib/charsets.jar:
    JAVA_HOME/jre/lib/jfr.jar:
    JAVA_HOME/jre/classes

  ExtClassLoader 用於載入擴充套件類:  


    ../Java/Extensions:
    ../JAVA_HOME/jre/lib/ext:    ../Library/Java/Extensions:/Network/Library/Java/Extensions:
    ../System/Library/Java/Extensions:
    ../lib/java

  AppClassLoader 用於載入我們專案中ClassPath下所建立的類和jar包中引用的類。

整個類載入,是通過一種叫做雙親委派的機制來進行載入。

舉例來說,一個類被最下層的載入器(使用者自定義ClassLoader)進行載入,此載入器首先會呼叫上一層的載入器(AppClassLoader)進行載入,而AppClassLoader會繼續轉交給上層(ExtClassLoader)的載入器進行載入,直到BootstrapClassLoader。  如果BootstrapClassLoader所載入的類路徑找不到此類,那麼才會交給下一層的載入器(ExtClassLoader)進行載入,如果找不到此類,繼續交給下一層(AppClassLoader)進行載入。以此類推,如果使用者自定義的ClassLoader也找不到此類,那麼程式就會丟擲一個ClassNotFoundError。

整個載入過程圖示如下:

(圖片引用自:https://www.cnblogs.com/xing901022/p/4574961.html)

類載入源的原始碼跟蹤如下(在此對原始碼進行了適當的簡化),讀者可以點入原始碼進行檢視:


package java.lang.ClassLoader;
import ....
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// First,在虛擬機器記憶體中查詢是否已經載入過此類...類快取的主要問題所在!!! 
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
if (parent != null) {
               //先讓上一層載入器進行載入
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
}
if (c == null) {
            //呼叫此類載入器所實現的findClass方法進行載入
c = findClass(name);
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}

在原始碼中可以完全領略到雙親委派機制的過程,其中最重要的三句程式碼已經進行了標註:

    findLoadedClass(在虛擬機器記憶體中查詢是否已經載入過此類…類快取的主要問題所在!!!)
    parent.loadClass(先讓上一層載入器進行載入)
    findClass(呼叫此類載入器所實現的findClass方法進行載入)

  如果使用者需要自定義載入器,載入自己指定路徑的class檔案,需要繼承ClassLoader,並實現findClass(String name)方法。舉例如下:


package com.linuxidc.utils;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
public class ServiceClassLoader extends ClassLoader{
private String classPath;
public ServiceClassLoader(String classPath) {
this.classPath = classPath;
}
/**
* 重寫父類的findClass 方法。 父類的loadClass會呼叫此方法
*/
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
Class<?> c = null;
byte[] classData = getClassData(name);
if (classData!=null) {
c = defineClass(name, classData, 0, classData.length);
}else {
throw new ClassNotFoundException();
}
return c;
} 
   // 將class檔案通過IO流讀取,轉化為位元組陣列
private byte[] getClassData(String name) {
String path = classPath   "/"  name.replace('.', '/')   ".class";
InputStream iStream = null;
ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
try {
iStream = new FileInputStream(path);
byte[] buffer = new byte[1024];
int temp = 0;
while ((temp = iStream.read(buffer))!=-1) {
byteArrayOutputStream.write(buffer, 0, temp);
}
if (byteArrayOutputStream!=null) {
return byteArrayOutputStream.toByteArray();
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}finally {
try {
if (iStream!=null) {
iStream.close();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
if (byteArrayOutputStream!=null) {
byteArrayOutputStream.close();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
return null;
}
}

對類載入器的使用程式碼如下:


ServiceClassLoader serviceClassLoader = new ServiceClassLoader("c:\myclass");
Czlass<?> c = ServiceClassLoader.loadClass("com.linuxidc.service.Myclass");

如果 用同一個 ServiceClassLoader 物件去載入同一個Class檔案多次,每次載入後的Class物件為同一個! 然而如果new不同的自定義ClassLoader去載入同一個Class檔案,則每次會返回不同的Class物件。

注意: 不能將所要載入的Class檔案放到classpath目錄及其任何子目錄下,否則會被AppClassLoader優先載入 (這是由於類載入採用雙親委派機制,同時AppClassLoader可以載入所有在classpath下的class檔案), 每次都是同一個AppClassLoader進行載入,因此會出現類快取問題。

這樣就解決了通常在JVM類載入時,直接使用反射出現的類快取的問題。

總結

以上就是這篇文章的全部內容了,希望本文的內容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值,如果有疑問大家可以留言交流,謝謝大家對指令碼之家的支援。

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