JVM类加载机制分析

一、类加载机制

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什么是类加载机制？OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

Java虚拟机将编译后的.class文件加载到内存中，进行校验、转换、解析和初始化，到最终的使用，这就是类的加载机制。类的加载时机并未有明确的规定，但是类明确了类的初始化时机。OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

二、类加载机制的过程

类的加载机制大致分为五个过程：加载、验证、准备、解析、初始化。OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

1.加载

通过ClassLoader加载一个Class对象到内存中。具体过程：OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

• 通过全限定名获取此类的二进制字节流(.class文件)，至于二进制字节流在哪里获取并没有限制，可以从jar、apk、zip、数据库、网络、自己运行生成都可以。
• 在内存中生成一个代表此类的java.lang.Class对象，并作为方法区这个类的访问入口。这个Class对象并没有规定放在Java堆中，有些虚拟机将它放在方法区中。

2.验证

验证加载后的类是否符合.Class文件结构，类数据是否符合虚拟机的要求，确保不会危害虚拟机的安全。具体过程如下：OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

• 文件格式验证：验证二机制字节流是否符合.class的文件格式，并且验证该.class文件是否在虚拟机的处理范围内，文件格式验证合格后才将二进制的数据存放在内存的方法区中。
• 元数据验证：主要是对该类的元数据信息进行语义检查，保证不存在不符合 Java 语义规范的元数据信息。
• 字节码验证：主要对类的方法体进行验证，确保类的方法不会做出危害虚拟机的行为
• 符号引用验证：对类本身饮用其他类型的验证，包括对全限定名是否能找到对应的类，是否能找到对应的类的方法和字段，访问性是否合适。

3.准备

• 对于类变量(static修饰)为其分配内存，并赋值初始值(如0，false)。
• 对于常量(final修饰)为其赋值设置的数值。

4.解析

将类符号引用转换成直接引用。OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

5.初始化

给类变量(static)赋值，并执行static{}方法。这里的触发执行的方法是类构造器中。OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

• 类构造器是编译器自己生成的，它会按类的顺序的收集类变量和静态代码块，如果一个类中没有类变量也没有静态代码块将没有类构造器。它和实例构造器是不同。
• 父类的构造器将优先于子类的构造器执行。子接口的构造器不需要调用父类的类构造器。
• 静态代码块可以访问出现在它前面的静态变量，但不能访问后面的静态变量，只可以赋值。

类初始化的时机：OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

• new一个对象的时候；获取和设置static的变量和方法的时候；
• 使用 java.lang.reflect 包对方法进行反射调用的时候。
• 当一个类的父类没被初始化时，会优先初始化父类。
• 当虚拟机启动时，需要指定一个要执行的主类时候。
• 当使用 JDK 1.7 的动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invodeStatic 的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

三、类加载器ClassLoader

这里的ClassLoader是安卓的类加载器，不是Java的加载器，这是有区分的，比如Java的类加载器加载的是jar里面的.class文件的集合，而安卓则是将.class文件的集合全部写入到一个dex文件中，删除一些重复的代码，以此来提高性能。OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

1.ClassLoader的类型

Android的类加载器类型也可以分为两种：OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

• 系统类加载器
• 自定义类加载器

无论哪种加载器，它们都要继承ClassLoader这个抽象父类。其中系统类加载器主要有：BootClassLoader、PathClassLoader、DexClassLoaderOjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

(1) BootClassLoaderOjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

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继承于ClassLoader，它是一个没有父加载器的加载器，它在Zygote进程启动的时候，BootClassLoader加载器将会被创建，用它加载一些预加载类，方便以后fork进程时复用资源。同时它也是ClassLoader的内部类。OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

(2) PathClassLoaderOjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {    /**     * @param dexPath : Dex相关文件的路径     * @param parent  ： 父加载器     */    public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {        super(dexPath, null, null, parent);    }    /**     * @param dexPath: Dex相关文件的路径     * @param librarySearchPath：包含C/C++库的路径集合     * @param parent ： 父加载器     */    public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {        super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);    }    ...}

PathClassLoader继承BseDexClassLoader，同时BaseDexClassLoader继承ClassLoader。 PathClassLoader的创建在system_server进程中，PathClassLoader类加载器通常加载已经安装的apk的dex文件。 PathClassLoader类加载器默认的解压的dex文件的存储路径是:/data/dalvik_cache路径中。 如下是创建的时机：OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

public class ZygoteInit {    // 创建完system_server进程后，会执行此方法    private static Runnable handleSystemServerProcess(ZygoteArguments parsedArgs) {        if (systemServerClasspath != null) {            //...        } else {            ClassLoader cl = null;            // 创建PathClassLoader加载器            if (systemServerClasspath != null) {                cl = createPathClassLoader(systemServerClasspath, parsedArgs.mTargetSdkVersion);            }        }    }    static ClassLoader createPathClassLoader(String classPath, int targetSdkVersion) {        String libraryPath = System.getProperty("java.library.path");        // 父加载器是BootClassLoader        ClassLoader parent = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();        // 创建工厂模式创建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", "");        // 父加载器是BootClassLoader        return new PathClassLoader(classPath, librarySearchPath, BootClassLoader.getInstance());    }}

可见PathClassLoader的父加载器是BootClassLoader。OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

(3) DexClassLoaderOjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {    /**     *     * @param dexPath : Dex相关文件的路径     * @param optimizedDirectory: 解压的dex的存储路径     * @param librarySearchPath：包含C/C++库的路径集合     * @param parent ： 父加载器     */    public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {        super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);    }}

DexClassLoader也是继承BaseDexClassLoader，相比PathClassLoader则是可以定义解压dex的存储路径。OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

除了BootClassLoader、PathClassLoader、DexClassLoader这三个类加载器外还有,InMemoryDexClassLoader:用于加载内存的dex;SecureClassLoader:权限检查的ClassLoader;URLClassLoader:URL的ClassLoade。OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

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2.ClassLoader的加载过程

Android中所有的类加载器都继承于ClassLoader抽象类，这个类的loadClass()方法同样实现了双亲委托机制。OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

(1) 双亲委托机制OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

public abstract class ClassLoader {   /**     * 双亲委托机制     */    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)            throws ClassNotFoundException {        // 1. 先检查class是否已经加载过        Class<?> c = findLoadedClass(name);        if (c == null) {            // 没有加载过            try {                if (parent != null) {                    // 先给父ClassLoader加载Class                    c = parent.loadClass(name, false);                } else {                    // 调用BootClassLoader加载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都没有加载class，则调用findClass()给此ClassLoader加载                c = findClass(name);            }        }        return c;    }    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {        throw new ClassNotFoundException(name);    }}

ClassLoader的loadClass()方法定义了加载器加载类的过程：OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

• 如果class文件已经加载过，则从缓存中找。否则给递归给父加载器的loadClass()方法查找class文件
• 如果父加载器没找到，则调用自己的findClass(name)方法开始找class文件。 这种设计避免了一些核心类的加载被用户自定义复写，导致功能不同。

那这个findClass()方法在ClassLoader中是一个空实现，它让给你子类去实现这个查找的过程。那这里以BaseDexClassLoader为例，看findClass()是如何查找class文件的：OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

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 {        //  调用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;    }}

调用DexPathList.findClass()方法去查找class文件:OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

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) {        // 遍历Element数组去查询        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) {             //  调用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有一个Element[]数组，每个Element有dex文件路径，通过遍历Element[]数组，调用Element. loadClassBinaryName()方法去查找是否对应的class文件，最后调用defineClassNative()native方法去查找。OjG28资讯网——每日最新资讯28at.com

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