你知道 Java 类是如何被加载的吗？
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文 | 汪先登
前言
最近给一个非 Java 方向的朋友讲了下双亲委派模型，朋友让我写篇文章深度研究下JVM 的 ClassLoader，我确实也好久没写 JVM 相关的文章了，有点手痒痒，涂了皮炎平也抑制不住的那种。
我在向朋友解释的时候是这么说的：双亲委派模型中，ClassLoader 在加载类的时候，会先交由它的父 ClassLoader 加载，只有当父 ClassLoader 加载失败的情况下，才会尝试自己去加载。这样可以实现部分类的复用，又可以实现部分类的隔离，因为不同 ClassLoader 加载的类是互相隔离的。
不过贸然的向别人解释双亲委派模型是不妥的，如果在不了解 JVM 的类加载机制的情况下，又如何能很好的理解“不同 ClassLoader 加载的类是互相隔离的”这句话呢？所以为了理解双亲委派，最好的方式，就是先了解下 ClassLoader 的加载流程。
Java 类是如何被加载的
我们首先要清楚的是，Java 类何时会被加载？《深入理解 Java 虚拟机》给出的答案是：
遇到 new、getstatic、putstatic 等指令时。
对类进行反射调用的时候。
初始化某个类的子类的时候。
虚拟机启动时会先加载设置的程序主类。
使用 JDK 1.7 的动态语言支持的时候。
其实要我说，最通俗易懂的答案就是：当运行过程中需要这个类的时候。
那么我们不妨就从如何加载类开始说起。
利用 ClassLoader 加载类很简单，直接调用 ClassLoder 的 loadClass（）方法即可，我相信大家都会，但是还是要举个例子：
public class Test {
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
Test.class.getClassLoader().loadClass("com.wangxiandeng.test.Dog");
}
}
上面这段代码便实现了让 ClassLoader 去加载 “com.wangxiandeng.test.Dog” 这个类，是不是 so easy。但是 JDK 提供的 API 只是冰山一角，看似很简单的一个调用，其实隐藏了非常多的细节，我这个人吧，最喜欢做的就是去揭开 API 的封装，一探究竟。
2.3：JVM 是怎么加载类的
JVM 默认用于加载用户程序的 ClassLoader 为 AppClassLoader，不过无论是什么ClassLoader，它的根父类都是 java.lang.ClassLoader。在上面那个例子中，loadClass（）方法最终会调用到 ClassLoader.definClass1（）中，这是一个 Native 方法。
static native Class<?> defineClass1(ClassLoader loader, String name, byte[] b, int off, int len,
ProtectionDomain pd, String source);
看到 Native 方法莫心慌，不要急，打开 OpenJDK 源码，我等继续走马观花便是！
definClass1（）对应的 JNI 方法为:
Java_java_lang_ClassLoader_defineClass1（）
JNIEXPORT jclass JNICALL
Java_java_lang_ClassLoader_defineClass1(JNIEnv *env,
jclass cls,
jobject loader,
jstring name,
jbyteArray data,
jint offset,
jint length,
jobject pd,
jstring source)
{
......
result = JVM_DefineClassWithSource(env, utfName, loader, body, length, pd, utfSource);
......
return result;
}
Java_java_lang_ClassLoader_defineClass1 主要是调用了JVM_DefineClassWithSource（）加载类，跟着源码往下走，会发现最终调用的是 jvm.cpp 中的 jvm_define_class_common（）方法。
static jclass jvm_define_class_common(JNIEnv *env, const char *name,
jobject loader, const jbyte *buf,
jsize len, jobject pd, const char *source,
TRAPS) {
......
ClassFileStream st((u1*)buf, len, source, ClassFileStream::verify);
Handle class_loader (THREAD, JNIHandles::resolve(loader));
if (UsePerfData) {
is_lock_held_by_thread(class_loader,
ClassLoader::sync_JVMDefineClassLockFreeCounter(),
THREAD);
}
Handle protection_domain (THREAD, JNIHandles::resolve(pd));
Klass* k = SystemDictionary::resolve_from_stream(class_name,
class_loader,
protection_domain,
&st,
CHECK_NULL);
......
return (jclass) JNIHandles::make_local(env, k->java_mirror());
}
上面这段逻辑主要就是利用 ClassFileStream 将要加载的 class 文件转成文件流，然后调用 SystemDictionary::resolve_from_stream（），生成 Class 在 JVM 中的代表：Klass。对于Klass，大家可能不太熟悉，但是在这里必须得了解下。说白了，它就是 JVM 用来定义一个 Java Class 的数据结构。不过 Klass 只是一个基类，Java Class 真正的数据结构定义在 InstanceKlass 中。
class InstanceKlass: public Klass {
protected:
Annotations* _annotations;
......
ConstantPool* _constants;
......
Array<jushort>* _inner_classes;
......
Array<Method*>* _methods;
Array<Method*>* _default_methods;
......
Array<u2>* _fields;
}
可见 InstanceKlass 中记录了一个 Java 类的所有属性，包括注解、方法、字段、内部类、常量池等信息。这些信息本来被记录在 Class 文件中，所以说，InstanceKlass 就是一个 Java Class 文件被加载到内存后的形式。再回到上面的类加载流程中，这里调用了 SystemDictionary::resolve_from_stream（），将 Class 文件加载成内存中的 Klass。
resolve_from_stream（） 便是重中之重！主要逻辑有下面几步：
1：判断是否允许并行加载类，并根据判断结果进行加锁。
bool DoObjectLock = true;
if (is_parallelCapable(class_loader)) {
DoObjectLock = false;
}
ClassLoaderData* loader_data = register_loader(class_loader, CHECK_NULL);
Handle lockObject = compute_loader_lock_object(class_loader, THREAD);
check_loader_lock_contention(lockObject, THREAD);
ObjectLocker ol(lockObject, THREAD, DoObjectLock);
如果允许并行加载，则不会对 ClassLoader 进行加锁，只对 SystemDictionary 加锁。否则，便会利用 ObjectLocker 对 ClassLoader 加锁，保证同一个 ClassLoader 在同一时刻只能加载一个类。ObjectLocker 会在其构造函数中获取锁，并在析构函数中释放锁。允许并行加载的好处便是精细化了锁粒度，这样可以在同一时刻加载多个 Class文件。
2：解析文件流，生成 InstanceKlass。
InstanceKlass* k = NULL;
k = KlassFactory::create_from_stream(st,
class_name,
loader_data,
protection_domain,
NULL, // host_klass
NULL, // cp_patches
CHECK_NULL);
3：利用 SystemDictionary 注册生成的 Klass 。
SystemDictionary 是用来帮助保存 ClassLoader 加载过的类信息的。准确点说，SystemDictionary 并不是一个容器，真正用来保存类信息的容器是 Dictionary，每个ClassLoaderData 中都保存着一个私有的 Dictionary，而 SystemDictionary 只是一个拥有很多静态方法的工具类而已。
我们来看看注册的代码：
if (is_parallelCapable(class_loader)) {
InstanceKlass* defined_k = find_or_define_instance_class(h_name, class_loader, k, THREAD);
if (!HAS_PENDING_EXCEPTION && defined_k != k) {
// If a parallel capable class loader already defined this class, register 'k' for cleanup.
assert(defined_k != NULL, "Should have a klass if there's no exception");
loader_data->add_to_deallocate_list(k);
k = defined_k;
}
} else {
define_instance_class(k, THREAD);
}
如果允许并行加载，那么前面就不会对 ClassLoader 加锁，所以在同一时刻，可能对同一 Class 文件加载了多次。但是同一 Class 在同一 ClassLoader 中必须保持唯一性，所以这里会先利用 SystemDictionary 查询 ClassLoader 是否已经加载过相同 Class。
如果已经加载过，那么就将当前线程刚刚加载的 InstanceKlass 加入待回收列表，并将 InstanceKlass* k 重新指向利用 SystemDictionary 查询到的 InstanceKlass。如果没有查询到，那么就将刚刚加载的 InstanceKlass 注册到 ClassLoader 的 Dictionary 中。
虽然并行加载不会锁住 ClassLoader ，但是会在注册 InstanceKlass 时对 SystemDictionary 加锁，所以不需要担心 InstanceKlass 在注册时的并发操作。如果禁止了并行加载，那么直接利用 SystemDictionary 将 InstanceKlass 注册到 ClassLoader 的 Dictionary 中即可。
ClassFileParser parser(stream,
name,
loader_data,
protection_domain,
host_klass,
cp_patches,
ClassFileParser::BROADCAST, // publicity level
CHECK_NULL);
InstanceKlass* result = parser.create_instance_klass(old_stream != stream, CHECK_NULL);
原来 ClassFileParser 才是真正的主角啊！它才是将 Class文件升华成InstanceKlass的幕后大佬！
2.4：不得不说的ClassFileParser
ClassFileParser 加载Class文件的入口便是 create_instance_klass（）。顾名思义，用来创建InstanceKlass的。create_instance_klass（）主要就干了两件事：
(1)：为 InstanceKlass 分配内存
InstanceKlass* const ik =
InstanceKlass::allocate_instance_klass(*this, CHECK_NULL);
我们先来说道说道第一件事，为 InstanceKlass 分配内存。内存分配代码如下：
const int size = InstanceKlass::size(parser.vtable_size(),
parser.itable_size(),
nonstatic_oop_map_size(parser.total_oop_map_count()),
parser.is_interface(),
parser.is_anonymous(),
should_store_fingerprint(parser.is_anonymous()));
ClassLoaderData* loader_data = parser.loader_data();
InstanceKlass* ik;
ik = new (loader_data, size, THREAD) InstanceKlass(parser, InstanceKlass::_misc_kind_other);
void* Klass::operator new(size_t size, ClassLoaderData* loader_data, size_t word_size, TRAPS) throw() {
return Metaspace::allocate(loader_data, word_size, MetaspaceObj::ClassType, THREAD);
}
分配 InstanceKlass 的时候调用了 Metaspace::allocate（）：
MetaspaceObj::Type type, TRAPS) {
......
MetadataType mdtype = (type == MetaspaceObj::ClassType) ? ClassType : NonClassType;
......
MetaWord* result = loader_data->metaspace_non_null()->allocate(word_size, mdtype);
......
return result;
}
由此可见，InstanceKlass 是分配在 ClassLoader 的 Metaspace（元空间） 的方法区中。从 JDK8 开始，HotSpot 就没有了永久代，类都分配在 Metaspace 中。Metaspace 和永久代不一样，采用的是 Native Memory，永久代由于受限于 MaxPermSize，所以当内存不够时会内存溢出。
分配完 InstanceKlass 内存后，便要着手第二件事，分析 Class文件，填充 InstanceKlass 内存区域。
ClassFileParser 在构造的时候就会开始分析Class文件，所以fill_instance_klass（）中只需要填充即可。填充结束后，还会调用 java_lang_Class::create_mirror（）创建 InstanceKlass 在Java 层的 Class 对象。
void ClassFileParser::fill_instance_klass(InstanceKlass* ik, bool changed_by_loadhook, TRAPS) {
.....
ik->set_class_loader_data(_loader_data);
ik->set_nonstatic_field_size(_field_info->nonstatic_field_size);
ik->set_has_nonstatic_fields(_field_info->has_nonstatic_fields);
ik->set_static_oop_field_count(_fac->count[STATIC_OOP]);
ik->set_name(_class_name);
......
java_lang_Class::create_mirror(ik,
Handle(THREAD, _loader_data->class_loader()),
module_handle,
_protection_domain,
CHECK);
}
再谈双亲委派
如果你耐心的看完了上面的源码分析，你一定对 “不同ClassLoader加载的类是互相隔离的” 这句话的理解又上了一个台阶。
public class CustomClassloader extends URLClassLoader {
public CustomClassloader(URL[] urls) {
super(urls);
}
@Override
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
if (name.startsWith("com.wangxiandeng")) {
return findClass(name);
}
return super.loadClass(name, resolve);
}
}
再尝试加载 Studen 类，并实例化：
public class Test {
public static void main(String[] args) throws Exception {
URL url[] = new URL[1];
url[0] = Thread.currentThread().getContextClassLoader().getResource("");
CustomClassloader customClassloader = new CustomClassloader(url);
Class clazz = customClassloader.loadClass("com.wangxiandeng.Student");
Student student = (Student) clazz.newInstance();
}
}
运行后便会抛出类型强转异常：
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException:
com.wangxiandeng.Student cannot be cast to com.wangxiandeng.Student
public static void main(java.lang.String[]) throws java.lang.Exception;
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=4, locals=5, args_size=1
0: iconst_1
1: anewarray #2 // class java/net/URL
4: astore_1
5: aload_1
6: iconst_0
7: invokestatic #3 // Method java/lang/Thread.currentThread:()Ljava/lang/Thread;
10: invokevirtual #4 // Method java/lang/Thread.getContextClassLoader:()Ljava/lang/ClassLoader;
13: ldc #5 // String
15: invokevirtual #6 // Method java/lang/ClassLoader.getResource:(Ljava/lang/String;)Ljava/net/URL;
18: aastore
19: new #7 // class com/wangxiandeng/classloader/CustomClassloader
22: dup
23: aload_1
24: invokespecial #8 // Method com/wangxiandeng/classloader/CustomClassloader."<init>":([Ljava/net/URL;)V
27: astore_2
28: aload_2
29: ldc #9 // String com.wangxiandeng.Student
31: invokevirtual #10 // Method com/wangxiandeng/classloader/CustomClassloader.loadClass:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Class;
34: astore_3
35: aload_3
36: invokevirtual #11 // Method java/lang/Class.newInstance:()Ljava/lang/Object;
39: checkcast #12 // class com/wangxiandeng/Student
42: astore 4
44: return
可以看到在利用加载的 Class 初始化实例后，调用了 checkcast 进行类型转化，checkcast 后的操作数 #12 即为 Student 这个类在常量池中的索引：
#12 = Class #52 // com/wangxiandeng/Student
下面我们可以看看 checkcast 在HotSpot中的实现。HotSpot 目前有三种字节码执行引擎，目前采用的是模板解释器，可以看下我这篇文章：《汪先生：JVM 之模板解释器》。
早期的 HotSpot 采用的是字节码解释器。模板解释器对于指令的执行都是用汇编写的，而字节码解释器采用的 C++ 进行的翻译，为了看起来比较舒服，我们就不看汇编了，直接看字节码解释器就行了。如果你的汇编功底很好，当然也可以直接看模板解释器，我之前写的文章《汪先生：JVM之创建对象源码分析》这里就是分析模板解释器对于 new 指令的实现。
废话不多说，我们来看看字节码解释器对于checkcast 的实现，代码在 bytecodeInterpreter.cpp 中
CASE(_checkcast):
if (STACK_OBJECT(-1) != NULL) {
VERIFY_OOP(STACK_OBJECT(-1));
// 拿到 checkcast 指令后的操作数，本例子中即 Student.Class 在常量池中的索引：#12
u2 index = Bytes::get_Java_u2(pc+1);
// 如果常量池还没有解析，先进行解析，即将常量池中的符号引用替换成直接引用，
//此时就会触发Student.Class 的加载
if (METHOD->constants()->tag_at(index).is_unresolved_klass()) {
CALL_VM(InterpreterRuntime::quicken_io_cc(THREAD), handle_exception);
}
// 获取上一步系统加载的Student.Class 对应的 InstanceKlass
Klass* klassOf = (Klass*) METHOD->constants()->resolved_klass_at(index);
// 获取要强转的对象的实际类型，即我们自己手动加载的Student.Class 对应的 InstanceKlass
Klass* objKlass = STACK_OBJECT(-1)->klass(); // ebx
// 现在就比较简单了，直接看看上面的两个InstanceKlass指针内容是否相同
// 不同的情况下则判断是否存在继承关系
if (objKlass != klassOf && !objKlass->is_subtype_of(klassOf)) {
// Decrement counter at checkcast.
BI_PROFILE_SUBTYPECHECK_FAILED(objKlass);
ResourceMark rm(THREAD);
char* message = SharedRuntime::generate_class_cast_message(
objKlass, klassOf);
VM_JAVA_ERROR(vmSymbols::java_lang_ClassCastException(), message, note_classCheck_trap);
}
// Profile checkcast with null_seen and receiver.
BI_PROFILE_UPDATE_CHECKCAST(/*null_seen=*/false, objKlass);
} else {
// Profile checkcast with null_seen and receiver.
BI_PROFILE_UPDATE_CHECKCAST(/*null_seen=*/true, NULL);
}
通过对上面代码的分析，我相信大家已经理解了 “强转的类型Student.Class 对应的 InstanceKlass 是由系统默认的 ClassLoader 生成的” 这句话了。
双亲委派的好处是尽量保证了同一个 Class 文件只会生成一个 InstanceKlass，但是某些情况，我们就不得不去打破双亲委派了，比如我们想实现Class隔离的时候。
回复下 XM 同学的问题：
// 如果常量池还没有解析，先进行解析，即将常量池中的符号引用替换成直接引用，
//此时就会触发 Student.Class 的加载
if (METHOD->constants()->tag_at(index).is_unresolved_klass()) {
CALL_VM(InterpreterRuntime::quicken_io_cc(THREAD), handle_exception);
}
请问，为何这里会重新加载 Student.Class？jvm 是不是有自己的 class 加载链路，然后系统循着链路去查找 class 是否已经被加载？那该怎么把自定义的CustomClassloader 加到这个查询链路中去呢？
第一种方法：设置启动参数 java -Djava.system.class.loader
第二种方法：利用 Thread.setContextClassLoder
这里就有点技巧了，看下代码：
public class Test {
public static void main(String[] args) throws Exception {
URL url[] = new URL[1];
url[0] = Thread.currentThread().getContextClassLoader().getResource("");
final CustomClassloader customClassloader = new CustomClassloader(url);
Thread.currentThread().setContextClassLoader(customClassloader);
Class clazz = customClassloader.loadClass("com.wangxiandeng.ClassTest");
Object object = clazz.newInstance();
Method method = clazz.getDeclaredMethod("test");
method.invoke(object);
}
}
public class ClassTest {
public void test() throws Exception{
Class clazz = Thread.currentThread().getContextClassLoader().loadClass("com.wangxiandeng.Student");
Student student = (Student) clazz.newInstance();
System.out.print(student.getClass().getClassLoader());
}
}
要注意的是在设置线程的 ClassLoader 后，并不是直接调用 new ClassTest().test() 。为什么呢？因为直接强引用的话，会在解析 Test.Class 的常量池时，利用系统默认的 ClassLoader 加载了 ClassTest，从而又触发了 ClassTest.Class 的解析。为了避免这种情况的发生，这里利用 CustomClassLoader 去加载 ClassTest.Class，再利用反射机制调用 test（），此时在解析 ClassTest.Class 的常量池时，就会利用 CustomClassLoader 去加载 Class 常量池项，也就不会发生异常了。
总结
写完这篇文章，手也不痒了，甚爽！这篇文章从双亲委派讲到了Class文件的加载，最后又绕回到双亲委派，看似有点绕，其实只有理解了Class 的加载机制，才能更好的理解类似双亲委派这样的机制，否则只死记硬背一些空洞的理论，是无法起到由内而外的理解的。
本文作者：
汪先登，花名勉成，阿里云存储高级工程师，爱好研究 JVM 底层实现。
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