不止面試—jvm類加載面試題詳解

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面試題

帶着問題學習是最高效的，本次我們將嘗試回答以下問題：

  1. 什麼是類的加載？
  2. 哪些情況會觸發類的加載？
  3. 講一下JVM加載一個類的過程
  4. 什麼時候會為變量分配內存？
  5. JVM的類加載機制是什麼？
  6. 雙親委派機制可以打破嗎？為什麼

答案放在文章的最後，來不及看原理也可以直接跳到最後直接看答案。

深入原理

類的生命周期

類的生命周期相信大家已經耳熟能詳，就像下面這樣：

不過這東西總是背了就忘，忘了又背，就像馬什麼梅一樣，對吧？

其實理解之後，基本上就不會再忘了。

加載

加載主要做三件事：

  1. 找到類文件（通過類的全限定名來獲取定義此類的二進制字節流）
  2. 放入方法區（將這個字節流所代表的靜態存儲結構轉化為方法區的運行時數據結構）
  3. 開個入口（生成一個代表此類的java.lang.Class對象，作為訪問方法區這些數據結構的入口）

總的來講，這一步就是通過類加載器把類讀入內存。需要注意的是，第三步雖然生成了對象，但並不在堆里，而是在方法區里。

連接

連接分為三步，一般面試都比較喜歡問準備這一步。

校驗

顧名思義，檢查Class文件的字節流中包含的信息是否符合當前虛擬機的要求。

準備

這一步中將為靜態變量和靜態常量分配內存，並賦值。

需要注意的是，靜態變量只會給默認值。比如下面這個：

public static int value = 123;

此時賦給value的值是0，不是123。

靜態常量（static final修飾的）則會直接賦值。比如下面這個：

public static final int value = 123;

此時賦給value的值是123。

解析

解析階段就是jvm將常量池的符號引用替換為直接引用。

恩……啥是常量池？啥是符號引用？啥是直接引用？

常量池我們放在jvm內存結構里說。先來說下什麼是符號引用和直接引用。

符號引用和直接引用

假設有一個Worker類，包含了一個Car類的run()方法，像下面這樣：

class Worker{
    ......
    public void gotoWork(){
        car.run(); //這段代碼在Worker類中的二進製表示為符號引用        
    }
    ......
}

在解析階段之前，Worker類並不知道car.run()這個方法內存的什麼地方，於是只能用一個字符串來表示這個方法。該字符串包含了足夠的信息，比如類的信息，方法名，方法參數等，以供實際使用時可以找到相應的位置。

這個字符串就被稱為符號引用。

在解析階段，jvm根據字符串的內容找到內存區域中相應的地址，然後把符號引用替換成直接指向目標的指針、句柄、偏移量等，這之後就可以直接使用了。

這些直接指向目標的指針、句柄、偏移量就被成為直接引用。

初始化

類的初始化的主要工作是為靜態變量賦程序設定的初值。

還記得上面的靜態變量嗎：

public static int value = 123;

經過這一步，value的值終於是123了。

總結如下圖：

類初始化的條件

Java虛擬機規範中嚴格規定了有且只有五種情況必須對類進行初始化：

  1. 使用new字節碼指令創建類的實例，或者使用getstatic、putstatic讀取或設置一個靜態字段的值（放入常量池中的常量除外），或者調用一個靜態方法的時候，對應類必須進行過初始化。
  2. 通過java.lang.reflect包的方法對類進行反射調用的時候，如果類沒有進行過初始化，則要首先進行初始化。
  3. 當初始化一個類的時候，如果發現其父類沒有進行過初始化，則首先觸發父類初始化。
  4. 當虛擬機啟動時，用戶需要指定一個主類（包含main()方法的類），虛擬機會首先初始化這個類。
  5. 使用jdk1.7的動態語言支持時，如果一個java.lang.invoke.MethodHandle實例最後的解析結果REF_getStatic、REF_putStatic、RE_invokeStatic的方法句柄，並且這個方法句柄對應的類沒有進行初始化，則需要先觸發其初始化。

除了以上這五種情況，其他任何情況都不會觸發類的初始化。

比如下面這幾種情況就不會觸發類初始化：

  1. 通過子類調用父類的靜態字段。此時父類符合情況一，而子類不符合任何情況。所以只有父類被初始化。
  2. 通過數組來引用類，不會觸發類的初始化。因為new的是數組，而不是類。
  3. 調用類的靜態常量不會觸發類的初始化，因為靜態常量在編譯階段就會被存入調用類的常量池中，不會引用到定義常量的類。

類加載機制

類加載器

在上面咱們曾經說到，加載階段需要“通過一個類的全限定名來獲取描述此類的二進制字節流”。這件事情就是類加載器在做。

jvm自帶三種類加載器，分別是：

  1. 啟動類加載器。
  2. 擴展類加載器。
  3. 應用程序類加載器

他們的繼承關係如下圖：

雙親委派

雙親委派機制工作過程如下：

  1. 當前ClassLoader首先從自己已經加載的類中查詢是否此類已經加載，如果已經加載則直接返回原來已經加載的類。每個類加載器都有自己的加載緩存，當一個類被加載了以後就會放入緩存，等下次加載的時候就可以直接返回了。

  2.  當前classLoader的緩存中沒有找到被加載的類的時候，委託父類加載器去加載，父類加載器採用同樣的策略，首先查看自己的緩存，然後委託父類的父類去加載，一直到bootstrp ClassLoader.

  3.  當所有的父類加載器都沒有加載的時候，再由當前的類加載器加載，並將其放入它自己的緩存中，以便下次有加載請求的時候直接返回。

為啥要搞這麼複雜？自己處理不好嗎？

雙親委派的優點如下：

  1. 避免重複加載。當父親已經加載了該類的時候，就沒有必要子ClassLoader再加載一次。
  2. 為了安全。避免核心類，比如String被替換。

打破雙親委派

“雙親委派”機制只是Java推薦的機制，並不是強制的機制。

比如JDBC就打破了雙親委派機制。它通過Thread.currentThread().getContextClassLoader()得到線程上下文加載器來加載Driver實現類，從而打破了雙親委派機制。

至於為什麼，以後再說吧。

答案

現在，我們可以回答文章開頭提出的問題了。盡量在理解的基礎上回答，不需要死記硬背。

  1. 什麼是類的加載？

    JVM把通過類名獲得類的二進制流之後，把類放入方法區，並創建入口對象的過程被稱為類的加載。經過加載，類就被放到內存里了。

  2. 哪些情況會觸發類的初始化？

    類在5種情況下會被初始化：

    第一，假如這個類是入口類，他會被初始化。

    第二，使用new創建對象，或者調用類的靜態變量，類會被初始化。不過靜態常量不算。

    第三，通過反射獲取類，類會被初始化

    第四，如果子類被初始化，他的父類也會被初始化。

    第五，使用jdk1.7的動態語言支持時，調用到靜態句柄，也會被初始化。

  3. 講一下JVM加載一個類的過程

    同問題1。不過這裏也可以問下面試官是不是想問類的生命周期。如果是問類的生命周期，可以回答有”加載、連接、初始化、使用、卸載“五個階段，連接又可以分為”校驗、準備、解析“三個階段。

  4. 什麼時候會為變量分配內存？

    在準備階段為靜態變量分配內存。

  5. JVM的類加載機制是什麼？

    雙親委派機制，類加載器會先讓自己的父類來加載，父類無法加載的話，才會自己來加載。

  6. 雙親委派機制可以打破嗎？為什麼

    可以打破，比如JDBC使用線程上下文加載器打破了雙親委派機制。原因是JDBC只提供了接口，並沒有提供實現。這個問題可以再看下引用文獻的內容。

引用文獻

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