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JVM類加載機(jī)制分析

開(kāi)發(fā)
Java虛擬機(jī)將編譯后的.class文件加載到內(nèi)存中,進(jìn)行校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換、解析和初始化,到最終的使用,這就是類的加載機(jī)制。

一、類加載機(jī)制

什么是類加載機(jī)制?

Java虛擬機(jī)將編譯后的.class文件加載到內(nèi)存中,進(jìn)行校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換、解析和初始化,到最終的使用,這就是類的加載機(jī)制。類的加載時(shí)機(jī)并未有明確的規(guī)定,但是類明確了類的初始化時(shí)機(jī)。

二、類加載機(jī)制的過(guò)程

類的加載機(jī)制大致分為五個(gè)過(guò)程:加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化。

1.加載

通過(guò)ClassLoader加載一個(gè)Class對(duì)象到內(nèi)存中。具體過(guò)程:

  • 通過(guò)全限定名獲取此類的二進(jìn)制字節(jié)流(.class文件),至于二進(jìn)制字節(jié)流在哪里獲取并沒(méi)有限制,可以從jar、apk、zip、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)、自己運(yùn)行生成都可以。
  • 在內(nèi)存中生成一個(gè)代表此類的java.lang.Class對(duì)象,并作為方法區(qū)這個(gè)類的訪問(wèn)入口。這個(gè)Class對(duì)象并沒(méi)有規(guī)定放在Java堆中,有些虛擬機(jī)將它放在方法區(qū)中。

2.驗(yàn)證

驗(yàn)證加載后的類是否符合.Class文件結(jié)構(gòu),類數(shù)據(jù)是否符合虛擬機(jī)的要求,確保不會(huì)危害虛擬機(jī)的安全。具體過(guò)程如下:

  • 文件格式驗(yàn)證:驗(yàn)證二機(jī)制字節(jié)流是否符合.class的文件格式,并且驗(yàn)證該.class文件是否在虛擬機(jī)的處理范圍內(nèi),文件格式驗(yàn)證合格后才將二進(jìn)制的數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存的方法區(qū)中。
  • 元數(shù)據(jù)驗(yàn)證:主要是對(duì)該類的元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行語(yǔ)義檢查,保證不存在不符合 Java 語(yǔ)義規(guī)范的元數(shù)據(jù)信息。
  • 字節(jié)碼驗(yàn)證:主要對(duì)類的方法體進(jìn)行驗(yàn)證,確保類的方法不會(huì)做出危害虛擬機(jī)的行為
  • 符號(hào)引用驗(yàn)證:對(duì)類本身飲用其他類型的驗(yàn)證,包括對(duì)全限定名是否能找到對(duì)應(yīng)的類,是否能找到對(duì)應(yīng)的類的方法和字段,訪問(wèn)性是否合適。

3.準(zhǔn)備

  • 對(duì)于類變量(static修飾)為其分配內(nèi)存,并賦值初始值(如0,false)。
  • 對(duì)于常量(final修飾)為其賦值設(shè)置的數(shù)值。

4.解析

將類符號(hào)引用轉(zhuǎn)換成直接引用。

5.初始化

給類變量(static)賦值,并執(zhí)行static{}方法。這里的觸發(fā)執(zhí)行的方法是類構(gòu)造器中。

  • 類構(gòu)造器是編譯器自己生成的,它會(huì)按類的順序的收集類變量和靜態(tài)代碼塊,如果一個(gè)類中沒(méi)有類變量也沒(méi)有靜態(tài)代碼塊將沒(méi)有類構(gòu)造器。它和實(shí)例構(gòu)造器是不同。
  • 父類的構(gòu)造器將優(yōu)先于子類的構(gòu)造器執(zhí)行。子接口的構(gòu)造器不需要調(diào)用父類的類構(gòu)造器。
  • 靜態(tài)代碼塊可以訪問(wèn)出現(xiàn)在它前面的靜態(tài)變量,但不能訪問(wèn)后面的靜態(tài)變量,只可以賦值。

類初始化的時(shí)機(jī):

  • new一個(gè)對(duì)象的時(shí)候;獲取和設(shè)置static的變量和方法的時(shí)候;
  • 使用 java.lang.reflect 包對(duì)方法進(jìn)行反射調(diào)用的時(shí)候。
  • 當(dāng)一個(gè)類的父類沒(méi)被初始化時(shí),會(huì)優(yōu)先初始化父類。
  • 當(dāng)虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí),需要指定一個(gè)要執(zhí)行的主類時(shí)候。
  • 當(dāng)使用 JDK 1.7 的動(dòng)態(tài)語(yǔ)言支持時(shí),如果一個(gè) java.lang.invoke.MethodHandle 實(shí)例最后的解析結(jié)果 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invodeStatic 的方法句柄,并且這個(gè)方法句柄所對(duì)應(yīng)的類沒(méi)有進(jìn)行過(guò)初始化,則需要先觸發(fā)其初始化。

三、類加載器ClassLoader

這里的ClassLoader是安卓的類加載器,不是Java的加載器,這是有區(qū)分的,比如Java的類加載器加載的是jar里面的.class文件的集合,而安卓則是將.class文件的集合全部寫(xiě)入到一個(gè)dex文件中,刪除一些重復(fù)的代碼,以此來(lái)提高性能。

1.ClassLoader的類型

Android的類加載器類型也可以分為兩種:

  • 系統(tǒng)類加載器
  • 自定義類加載器

無(wú)論哪種加載器,它們都要繼承ClassLoader這個(gè)抽象父類。其中系統(tǒng)類加載器主要有:BootClassLoader、PathClassLoader、DexClassLoader

(1) BootClassLoader

class BootClassLoader extends ClassLoader {

    private static BootClassLoader instance;

    @FindBugsSuppressWarnings("DP_CREATE_CLASSLOADER_INSIDE_DO_PRIVILEGED")
    public static synchronized BootClassLoader getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new BootClassLoader();
        }

        return instance;
    }
    ...

}  

BootClassLoader繼承于ClassLoader,它是一個(gè)沒(méi)有父加載器的加載器,它在Zygote進(jìn)程啟動(dòng)的時(shí)候,BootClassLoader加載器將會(huì)被創(chuàng)建,用它加載一些預(yù)加載類,方便以后fork進(jìn)程時(shí)復(fù)用資源。同時(shí)它也是ClassLoader的內(nèi)部類。

(2) PathClassLoader

public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {

    /**
     * @param dexPath : Dex相關(guān)文件的路徑
     * @param parent  : 父加載器
     */
    public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, null, parent);
    }

    /**
     * @param dexPath: Dex相關(guān)文件的路徑
     * @param librarySearchPath:包含C/C++庫(kù)的路徑集合
     * @param parent : 父加載器
     */
    public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
    }
    ...
}

PathClassLoader繼承BseDexClassLoader,同時(shí)BaseDexClassLoader繼承ClassLoader。 PathClassLoader的創(chuàng)建在system_server進(jìn)程中,PathClassLoader類加載器通常加載已經(jīng)安裝的apk的dex文件。 PathClassLoader類加載器默認(rèn)的解壓的dex文件的存儲(chǔ)路徑是:/data/dalvik_cache路徑中。 如下是創(chuàng)建的時(shí)機(jī):

public class ZygoteInit {

    // 創(chuàng)建完system_server進(jìn)程后,會(huì)執(zhí)行此方法
    private static Runnable handleSystemServerProcess(ZygoteArguments parsedArgs) {
        if (systemServerClasspath != null) {
            //...
        } else {
            ClassLoader cl = null;
            // 創(chuàng)建PathClassLoader加載器
            if (systemServerClasspath != null) {
                cl = createPathClassLoader(systemServerClasspath, parsedArgs.mTargetSdkVersion);
            }
        }
    }

    static ClassLoader createPathClassLoader(String classPath, int targetSdkVersion) {
        String libraryPath = System.getProperty("java.library.path");

        // 父加載器是BootClassLoader
        ClassLoader parent = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();

        // 創(chuàng)建工廠模式創(chuàng)建PathClassLoader
        return ClassLoaderFactory.createClassLoader(classPath, libraryPath, libraryPath,
                parent, targetSdkVersion, true /* isNamespaceShared */, null /* classLoaderName */);
    }

}


public abstract class ClassLoader {

    public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
        return SystemClassLoader.loader;
    }

    static private class SystemClassLoader {
        public static ClassLoader loader = ClassLoader.createSystemClassLoader();
    }

    private static ClassLoader createSystemClassLoader() {
        String classPath = System.getProperty("java.class.path", ".");
        String librarySearchPath = System.getProperty("java.library.path", "");
        // 父加載器是BootClassLoader
        return new PathClassLoader(classPath, librarySearchPath, BootClassLoader.getInstance());
    }
}

可見(jiàn)PathClassLoader的父加載器是BootClassLoader。

(3) DexClassLoader

public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {

    /**
     *
     * @param dexPath : Dex相關(guān)文件的路徑
     * @param optimizedDirectory: 解壓的dex的存儲(chǔ)路徑
     * @param librarySearchPath:包含C/C++庫(kù)的路徑集合
     * @param parent : 父加載器
     */
    public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
    }
}

DexClassLoader也是繼承BaseDexClassLoader,相比PathClassLoader則是可以定義解壓dex的存儲(chǔ)路徑。

除了BootClassLoader、PathClassLoader、DexClassLoader這三個(gè)類加載器外還有,InMemoryDexClassLoader:用于加載內(nèi)存的dex;SecureClassLoader:權(quán)限檢查的ClassLoader;URLClassLoader:URL的ClassLoade。

2.ClassLoader的加載過(guò)程

Android中所有的類加載器都繼承于ClassLoader抽象類,這個(gè)類的loadClass()方法同樣實(shí)現(xiàn)了雙親委托機(jī)制。

(1) 雙親委托機(jī)制

public abstract class ClassLoader {

   /**
     * 雙親委托機(jī)制
     */
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
            throws ClassNotFoundException {
        // 1. 先檢查class是否已經(jīng)加載過(guò)
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            // 沒(méi)有加載過(guò)
            try {
                if (parent != null) {
                    // 先給父ClassLoader加載Class
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 調(diào)用BootClassLoader加載Class
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }


            if (c == null) {
                // 父的ClassLoader都沒(méi)有加載class,則調(diào)用findClass()給此ClassLoader加載
                c = findClass(name);
            }
        }
        return c;
    }


    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
}

ClassLoader的loadClass()方法定義了加載器加載類的過(guò)程:

  • 如果class文件已經(jīng)加載過(guò),則從緩存中找。否則給遞歸給父加載器的loadClass()方法查找class文件
  • 如果父加載器沒(méi)找到,則調(diào)用自己的findClass(name)方法開(kāi)始找class文件。 這種設(shè)計(jì)避免了一些核心類的加載被用戶自定義復(fù)寫(xiě),導(dǎo)致功能不同。

那這個(gè)findClass()方法在ClassLoader中是一個(gè)空實(shí)現(xiàn),它讓給你子類去實(shí)現(xiàn)這個(gè)查找的過(guò)程。那這里以BaseDexClassLoader為例,看findClass()是如何查找class文件的:

public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {

    private final DexPathList pathList;

    public BaseDexClassLoader(String dexPath,
                              String librarySearchPath, ClassLoader parent, ClassLoader[] sharedLibraryLoaders,
                              boolean isTrusted) {
        super(parent);
        this.sharedLibraryLoaders = sharedLibraryLoaders == null
                ? null
                : Arrays.copyOf(sharedLibraryLoaders, sharedLibraryLoaders.length);
        this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath, null, isTrusted);

        reportClassLoaderChain();
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        //  調(diào)用DexPathList.findClass方法查找class
        Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions);
        if (c == null) {
            ClassNotFoundException cnfe = new ClassNotFoundException(
                    "Didn't find class \"" + name + "\" on path: " + pathList);
            for (Throwable t : suppressedExceptions) {
                cnfe.addSuppressed(t);
            }
            throw cnfe;
        }
        return c;
    }
}

調(diào)用DexPathList.findClass()方法去查找class文件:

public final class DexPathList {
    private Element[] dexElements;

    DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
                String librarySearchPath, File optimizedDirectory, boolean isTrusted) {
         this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
                suppressedExceptions, definingContext, isTrusted);
    }

    public Class<?> findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
        // 遍歷Element數(shù)組去查詢
        for (Element element : dexElements) {
            Class<?> clazz = element.findClass(name, definingContext, suppressed);
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }

        if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
            suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
        }
        return null;
    }

}


    /*package*/ static class Element {
        @UnsupportedAppUsage
        private final File path;
    
        private final Boolean pathIsDirectory;

        @UnsupportedAppUsage
        private final DexFile dexFile;

        private ClassPathURLStreamHandler urlHandler;
        private boolean initialized;

        @UnsupportedAppUsage
        public Element(DexFile dexFile, File dexZipPath) {
            if (dexFile == null && dexZipPath == null) {
                throw new NullPointerException("Either dexFile or path must be non-null");
            }
            this.dexFile = dexFile;
            this.path = dexZipPath;
            this.pathIsDirectory = (path == null) ? null : path.isDirectory();
        }

        public Class<?> findClass(String name, ClassLoader definingContext,
                                  List<Throwable> suppressed) {
             //  調(diào)用DexFile.loadClassBinaryName()方法去查找
            return dexFile != null ? dexFile.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed)
                    : null;
        }
}

public final class DexFile {

    public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader, List<Throwable> suppressed) {
        return defineClass(name, loader, mCookie, this, suppressed);
    }

    private static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, Object cookie,
                                     DexFile dexFile, List<Throwable> suppressed) {

        Class result = null;
        try {
            result = defineClassNative(name, loader, cookie, dexFile);
        }
        ...
        return result;
    }

    private static native Class defineClassNative(String name, ClassLoader loader, Object cookie, DexFile dexFile)
        
}

DexPathList有一個(gè)Element[]數(shù)組,每個(gè)Element有dex文件路徑,通過(guò)遍歷Element[]數(shù)組,調(diào)用Element. loadClassBinaryName()方法去查找是否對(duì)應(yīng)的class文件,最后調(diào)用defineClassNative()native方法去查找。

責(zé)任編輯:趙寧寧 來(lái)源: 沐雨花飛蝶
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