Java核心技术面试精讲

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来源:https://time.geekbang.org/column/intro/100006701

第23讲 请介绍类加载过程,什么是双亲委派模型?

x33g5p2x  于2021-03-13 发布在 其他  
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Java 通过引入字节码和 JVM 机制,提供了强大的跨平台能力,理解 Java 的类加载机制是深入 Java 开发的必要条件,也是个面试考察热点。

今天我要问你的问题是,请介绍类加载过程,什么是双亲委派模型?

典型回答

一般来说,我们把 Java 的类加载过程分为三个主要步骤:加载、链接、初始化,具体行为在Java 虚拟机规范里有非常详细的定义。

首先是加载阶段(Loading),它是 Java 将字节码数据从不同的数据源读取到 JVM 中,并映射为 JVM 认可的数据结构(Class 对象),这里的数据源可能是各种各样的形态,如 jar 文件、class 文件,甚至是网络数据源等;如果输入数据不是 ClassFile 的结构,则会抛出 ClassFormatError。

加载阶段是用户参与的阶段,我们可以自定义类加载器,去实现自己的类加载过程。

第二阶段是链接(Linking),这是核心的步骤,简单说是把原始的类定义信息平滑地转化入 JVM 运行的过程中。这里可进一步细分为三个步骤:

  • 验证(Verification),这是虚拟机安全的重要保障,JVM 需要核验字节信息是符合 Java 虚拟机规范的,否则就被认为是 VerifyError,这样就防止了恶意信息或者不合规的信息危害 JVM 的运行,验证阶段有可能触发更多 class 的加载。

  • 准备(Preparation),创建类或接口中的静态变量,并初始化静态变量的初始值。但这里的“初始化”和下面的显式初始化阶段是有区别的,侧重点在于分配所需要的内存空间,不会去执行更进一步的 JVM 指令。

  • 解析(Resolution),在这一步会将常量池中的符号引用(symbolic reference)替换为直接引用。在Java 虚拟机规范中,详细介绍了类、接口、方法和字段等各个方面的解析。

最后是初始化阶段(initialization),这一步真正去执行类初始化的代码逻辑,包括静态字段赋值的动作,以及执行类定义中的静态初始化块内的逻辑,编译器在编译阶段就会把这部分逻辑整理好,父类型的初始化逻辑优先于当前类型的逻辑。

再来谈谈双亲委派模型,简单说就是当类加载器(Class-Loader)试图加载某个类型的时候,除非父加载器找不到相应类型,否则尽量将这个任务代理给当前加载器的父加载器去做。使用委派模型的目的是避免重复加载 Java 类型。

考点分析

今天的问题是关于 JVM 类加载方面的基础问题,我前面给出的回答参考了 Java 虚拟机规范中的主要条款。如果你在面试中回答这个问题,在这个基础上还可以举例说明。

我们来看一个经典的延伸问题,准备阶段谈到静态变量,那么对于常量和不同静态变量有什么区别?

需要明确的是,没有人能够精确的理解和记忆所有信息,如果碰到这种问题,有直接答案当然最好;没有的话,就说说自己的思路。

我们定义下面这样的类型,分别提供了普通静态变量、静态常量,常量又考虑到原始类型和引用类型可能有区别。

public class CLPreparation {
	public static int a = 100;
	public static final int INT_CONSTANT = 1000;
	public static final Integer INTEGER_CONSTANT = Integer.valueOf(10000);
}

编译并反编译一下:

Javac CLPreparation.java
Javap –v CLPreparation.class

可以在字节码中看到这样的额外初始化逻辑:

         0: bipush    	100
     	2: putstatic 	#2              	// Field a:I
     	5: sipush    	10000
     	8: invokestatic  #3              	// Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
    	11: putstatic 	#4                  // Field INTEGER_CONSTANT:Ljava/lang/Integer;

这能让我们更清楚,普通原始类型静态变量和引用类型(即使是常量),是需要额外调用 putstatic 等 JVM 指令的,这些是在显式初始化阶段执行,而不是准备阶段调用;而原始类型常量,则不需要这样的步骤。

关于类加载过程的更多细节,有非常多的优秀资料进行介绍,你可以参考大名鼎鼎的《深入理解 Java 虚拟机》,一本非常好的入门书籍。我的建议是不要仅看教程,最好能够想出代码实例去验证自己对某个方面的理解和判断,这样不仅能加深理解,还能够在未来的应用开发中使用到。

其实,类加载机制的范围实在太大,我从开发和部署的不同角度,各选取了一个典型扩展问题供你参考:

  • 如果要真正理解双亲委派模型,需要理解 Java 中类加载器的架构和职责,至少要懂具体有哪些内建的类加载器,这些是我上面的回答里没有提到的;以及如何自定义类加载器?

  • 从应用角度,解决某些类加载问题,例如我的 Java 程序启动较慢,有没有办法尽量减小 Java 类加载的开销?

另外,需要注意的是,在 Java 9 中,Jigsaw 项目为 Java 提供了原生的模块化支持,内建的类加载器结构和机制发生了明显变化。我会对此进行讲解,希望能够避免一些未来升级中可能发生的问题。

知识扩展

首先,从架构角度,一起来看看 Java 8 以前各种类加载器的结构,下面是三种 Oracle JDK 内建的类加载器。

  • 启动类加载器(Bootstrap Class-Loader),加载 jre/lib 下面的 jar 文件,如 rt.jar。它是个超级公民,即使是在开启了 Security Manager 的时候,JDK 仍赋予了它加载的程序 AllPermission。

对于做底层开发的工程师,有的时候可能不得不去试图修改 JDK 的基础代码,也就是通常意义上的核心类库,我们可以使用下面的命令行参数。

# 指定新的 bootclasspath,替换 java.* 包的内部实现
java -Xbootclasspath:<your_boot_classpath> your_App
 
# a 意味着 append,将指定目录添加到 bootclasspath 后面
java -Xbootclasspath/a:<your_dir> your_App
 
# p 意味着 prepend,将指定目录添加到 bootclasspath 前面
java -Xbootclasspath/p:<your_dir> your_App

用法其实很易懂,例如,使用最常见的 “/p”,既然是前置,就有机会替换个别基础类的实现。

我们一般可以使用下面方法获取父加载器,但是在通常的 JDK/JRE 实现中,扩展类加载器 getParent() 都只能返回 null。

public final ClassLoader getParent()
  • 扩展类加载器(Extension or Ext Class-Loader),负责加载我们放到 jre/lib/ext/ 目录下面的 jar 包,这就是所谓的 extension 机制。该目录也可以通过设置 “java.ext.dirs”来覆盖。
java -Djava.ext.dirs=your_ext_dir HelloWorld
  • 应用类加载器(Application or App Class-Loader),就是加载我们最熟悉的 classpath 的内容。这里有一个容易混淆的概念,系统(System)类加载器,通常来说,其默认就是 JDK 内建的应用类加载器,但是它同样是可能修改的,比如:
java -Djava.system.class.loader=com.yourcorp.YourClassLoader HelloWorld

如果我们指定了这个参数,JDK 内建的应用类加载器就会成为定制加载器的父亲,这种方式通常用在类似需要改变双亲委派模式的场景。

具体请参考下图:

至于前面被问到的双亲委派模型,参考这个结构图更容易理解。试想,如果不同类加载器都自己加载需要的某个类型,那么就会出现多次重复加载,完全是种浪费。

通常类加载机制有三个基本特征:

  • 双亲委派模型。但不是所有类加载都遵守这个模型,有的时候,启动类加载器所加载的类型,是可能要加载用户代码的,比如 JDK 内部的 ServiceProvider/ServiceLoader机制,用户可以在标准 API 框架上,提供自己的实现,JDK 也需要提供些默认的参考实现。 例如,Java 中 JNDI、JDBC、文件系统、Cipher 等很多方面,都是利用的这种机制,这种情况就不会用双亲委派模型去加载,而是利用所谓的上下文加载器。

  • 可见性,子类加载器可以访问父加载器加载的类型,但是反过来是不允许的,不然,因为缺少必要的隔离,我们就没有办法利用类加载器去实现容器的逻辑。

  • 单一性,由于父加载器的类型对于子加载器是可见的,所以父加载器中加载过的类型,就不会在子加载器中重复加载。但是注意,类加载器“邻居”间,同一类型仍然可以被加载多次,因为互相并不可见。

在 JDK 9 中,由于 Jigsaw 项目引入了 Java 平台模块化系统(JPMS),Java SE 的源代码被划分为一系列模块。

类加载器,类文件容器等都发生了非常大的变化,我这里总结一下:

  • 前面提到的 -Xbootclasspath 参数不可用了。API 已经被划分到具体的模块,所以上文中,利用“-Xbootclasspath/p”替换某个 Java 核心类型代码,实际上变成了对相应的模块进行的修补,可以采用下面的解决方案:

首先,确认要修改的类文件已经编译好,并按照对应模块(假设是 java.base)结构存放, 然后,给模块打补丁:

java --patch-module java.base=your_patch yourApp
  • 扩展类加载器被重命名为平台类加载器(Platform Class-Loader),而且 extension 机制则被移除。也就意味着,如果我们指定 java.ext.dirs 环境变量,或者 lib/ext 目录存在,JVM 将直接返回错误!建议解决办法就是将其放入 classpath 里。

  • 部分不需要 AllPermission 的 Java 基础模块,被降级到平台类加载器中,相应的权限也被更精细粒度地限制起来。

  • rt.jar 和 tools.jar 同样是被移除了!JDK 的核心类库以及相关资源,被存储在 jimage 文件中,并通过新的 JRT 文件系统访问,而不是原有的 JAR 文件系统。虽然看起来很惊人,但幸好对于大部分软件的兼容性影响,其实是有限的,更直接地影响是 IDE 等软件,通常只要升级到新版本就可以了。

  • 增加了 Layer 的抽象, JVM 启动默认创建 BootLayer,开发者也可以自己去定义和实例化 Layer,可以更加方便的实现类似容器一般的逻辑抽象。

结合了 Layer,目前的 JVM 内部结构就变成了下面的层次,内建类加载器都在 BootLayer 中,其他 Layer 内部有自定义的类加载器,不同版本模块可以同时工作在不同的 Layer。

谈到类加载器,绕不过的一个话题是自定义类加载器,常见的场景有:

  • 实现类似进程内隔离,类加载器实际上用作不同的命名空间,以提供类似容器、模块化的效果。例如,两个模块依赖于某个类库的不同版本,如果分别被不同的容器加载,就可以互不干扰。这个方面的集大成者是Java EEOSGIJPMS等框架。

  • 应用需要从不同的数据源获取类定义信息,例如网络数据源,而不是本地文件系统。

  • 或者是需要自己操纵字节码,动态修改或者生成类型。

我们可以总体上简单理解自定义类加载过程:

  • 通过指定名称,找到其二进制实现,这里往往就是自定义类加载器会“定制”的部分,例如,在特定数据源根据名字获取字节码,或者修改或生成字节码。

  • 然后,创建 Class 对象,并完成类加载过程。二进制信息到 Class 对象的转换,通常就依赖defineClass,我们无需自己实现,它是 final 方法。有了 Class 对象,后续完成加载过程就顺理成章了。

具体实现我建议参考这个用例

我在专栏第 1 讲中,就提到了由于字节码是平台无关抽象,而不是机器码,所以 Java 需要类加载和解释、编译,这些都导致 Java 启动变慢。谈了这么多类加载,有没有什么通用办法,不需要代码和其他工作量,就可以降低类加载的开销呢?

这个,可以有。

  • 在第 1 讲中提到的 AOT,相当于直接编译成机器码,降低的其实主要是解释和编译开销。但是其目前还是个试验特性,支持的平台也有限,比如,JDK 9 仅支持 Linux x64,所以局限性太大,先暂且不谈。

  • 还有就是较少人知道的 AppCDS(Application Class-Data Sharing),CDS 在 Java 5 中被引进,但仅限于 Bootstrap Class-loader,在 8u40 中实现了 AppCDS,支持其他的类加载器,在目前 2018 年初发布的 JDK 10 中已经开源。

简单来说,AppCDS 基本原理和工作过程是:

首先,JVM 将类信息加载, 解析成为元数据,并根据是否需要修改,将其分类为 Read-Only 部分和 Read-Write 部分。然后,将这些元数据直接存储在文件系统中,作为所谓的 Shared Archive。命令很简单:

Java -Xshare:dump -XX:+UseAppCDS -XX:SharedArchiveFile=<jsa>  \
         -XX:SharedClassListFile=<classlist> -XX:SharedArchiveConfigFile=<config_file>

第二,在应用程序启动时,指定归档文件,并开启 AppCDS。

Java -Xshare:on -XX:+UseAppCDS -XX:SharedArchiveFile=<jsa> yourApp

通过上面的命令,JVM 会通过内存映射技术,直接映射到相应的地址空间,免除了类加载、解析等各种开销。

AppCDS 改善启动速度非常明显,传统的 Java EE 应用,一般可以提高 20%~30% 以上;实验中使用 Spark KMeans 负载,20 个 slave,可以提高 11% 的启动速度。

与此同时,降低内存 footprint,因为同一环境的 Java 进程间可以共享部分数据结构。前面谈到的两个实验,平均可以减少 10% 以上的内存消耗。

当然,也不是没有局限性,如果恰好大量使用了运行时动态类加载,它的帮助就有限了。

今天我梳理了一下类加载的过程,并针对 Java 新版中类加载机制发生的变化,进行了相对全面的总结,最后介绍了一个改善类加载速度的特性,希望对你有所帮助。

一课一练

关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗?今天的思考题是,谈谈什么是 Jar Hell 问题?你有遇到过类似情况吗,如何解决呢?

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