JVM类加载机制面试题解析

有这样一道面试题：

class Singleton{
    private static Singleton singleton = new Singleton();
    public static int value1;
    public static int value2 = 0;

    private Singleton(){
        value1++;
        value2++;
    }

    public static Singleton getInstance(){
        return singleton;
    }

}

class Singleton2{
    public static int value1;
    public static int value2 = 0;
    private static Singleton2 singleton2 = new Singleton2();

    private Singleton2(){
        value1++;
        value2++;
    }

    public static Singleton2 getInstance2(){
        return singleton2;
    }

}

public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        System.out.println("Singleton1 value1:" + singleton.value1);
        System.out.println("Singleton1 value2:" + singleton.value2);

        Singleton2 singleton2 = Singleton2.getInstance2();
        System.out.println("Singleton2 value1:" + singleton2.value1);
        System.out.println("Singleton2 value2:" + singleton2.value2);
    }

说出运行的结果：
Singleton1 value1 : 1
Singleton1 value2 : 0
Singleton2 value1 : 1
Singleton2 value2 : 1

稍后会带来分析。

一 类加载机制

JVM类加载分为5个过程：加载，验证，准备，解析，初始化，使用，卸载，以下图所示：

下面来看看加载，验证，准备，解析，初始化这5个过程的具体动做。

1.1 加载

加载主要是将.class文件（并不必定是.class。能够是ZIP包，网络中获取）中的二进制字节流读入到JVM中。
在加载阶段，JVM须要完成3件事：
1）经过类的全限定名获取该类的二进制字节流；
2）将字节流所表明的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；
3）在内存中生成一个该类的java.lang.Class对象，做为方法区这个类的各类数据的访问入口。

1.2 链接

1.2.1 验证

验证是链接阶段的第一步，主要确保加载进来的字节流符合JVM规范。
验证阶段会完成如下4个阶段的检验动做：
1）文件格式验证
2）元数据验证(是否符合Java语言规范)
3）字节码验证（肯定程序语义合法，符合逻辑）
4）符号引用验证（确保下一步的解析能正常执行）

1.2.2 准备

准备是链接阶段的第二步，主要为静态变量在方法区分配内存，并设置默认初始值。

1.2.3 解析

解析是链接阶段的第三步，是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

1.3 初始化

初始化阶段是类加载过程的最后一步，主要是根据程序中的赋值语句主动为类变量赋值。
注：
1）当有父类且父类为初始化的时候，先去初始化父类；
2）再进行子类初始化语句。

何时须要对类进行初始化？
1）使用new该类实例化对象的时候；
2）读取或设置类静态字段的时候（但被final修饰的字段，在编译器时就被放入常量池的静态字段除外static final）；
3）调用类静态方法的时候；
4）使用反射Class.forName(“xxxx”)对类进行反射调用的时候，该类须要初始化；
5） 初始化一个类的时候，有父类，先初始化父类（注：1. 接口除外，父接口在调用的时候才会被初始化；2.子类引用父类静态字段，只会引起父类初始化）；
6） 被标明为启动类的类（即包含main()方法的类）要初始化；
7）当使用JDK1.7的动态语言支持时，若是一个java.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，而且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则须要先触发其初始化。

以上状况称为对一个类进行主动引用，且有且只要以上几种状况须要对类进行初始化。

再回过头来分析一开始的面试题：
Singleton输出结果：1 0
缘由：

1 首先执行main中的Singleton singleton = Singleton.getInstance();
2 类的加载：加载类Singleton
3 类的验证
4 类的准备：为静态变量分配内存，设置默认值。这里为singleton(引用类型)设置为null,value1,value2（基本数据类型）设置默认值0
5 类的初始化（按照赋值语句进行修改）：
执行private static Singleton singleton = new Singleton();
执行Singleton的构造器：value1++;value2++; 此时value1，value2均等于1
执行
public static int value1;
public static int value2 = 0;
此时value1=1，value2=0

Singleton2输出结果：1 1
缘由：

1 首先执行main中的Singleton2 singleton2 = Singleton2.getInstance2();
2 类的加载：加载类Singleton2
3 类的验证
4 类的准备：为静态变量分配内存，设置默认值。这里为value1,value2（基本数据类型）设置默认值0,singleton2(引用类型)设置为null,
5 类的初始化（按照赋值语句进行修改）：
执行
public static int value2 = 0;
此时value2=0(value1不变，依然是0);
执行
private static Singleton singleton = new Singleton();
执行Singleton2的构造器：value1++;value2++;
此时value1，value2均等于1,即为最后结果

二 类加载器

类加载器实现的功能是即为加载阶段获取二进制字节流的时候。

JVM提供了如下3种系统的类加载器：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：最顶层的类加载器，负责加载 JAVA_HOME\lib 目录中的，或经过-Xbootclasspath参数指定路径中的，且被虚拟机承认（按文件名识别，如rt.jar）的类。
• 扩展类加载器(Extension ClassLoader)：负责加载 JAVA_HOME\lib\ext 目录中的，或经过java.ext.dirs系统变量指定路径中的类库。
• 应用程序类加载器(Application ClassLoader)：也叫作系统类加载器，能够经过getSystemClassLoader()获取，负责加载用户路径（classpath）上的类库。若是没有自定义类加载器，通常这个就是默认的类加载器。

类加载器之间的层次关系以下：

照片来源：http://www.importnew.com/25295.html

类加载器之间的这种层次关系叫作双亲委派模型。
双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）外，其他的类加载器都应当有本身的父类加载器。这里的类加载器之间的父子关系通常不是以继承关系实现的，而是用组合实现的。

双亲委派模型的工做过程

若是一个类接受到类加载请求，他本身不会去加载这个请求，而是将这个类加载请求委派给父类加载器，这样一层一层传送，直到到达启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）。
只有当父类加载器没法加载这个请求时，子加载器才会尝试本身去加载。

双亲委派模型的代码实现

双亲委派模型的代码实现集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法当中。
1）首先检查类是否被加载，没有则调用父类加载器的loadClass()方法；
2）若父类加载器为空，则默认使用启动类加载器做为父加载器；
3）若父类加载失败，抛出ClassNotFoundException 异常后，再调用本身的findClass() 方法。

loadClass源代码以下：

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    //1 首先检查类是否被加载
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            if (parent != null) {
             //2 没有则调用父类加载器的loadClass()方法；
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
            //3 若父类加载器为空，则默认使用启动类加载器做为父加载器；
                c = findBootstrapClass0(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
           //4 若父类加载失败，抛出ClassNotFoundException 异常后
            c = findClass(name);
        }
    }
    if (resolve) {
        //5 再调用本身的findClass() 方法。
        resolveClass(c);
    }
    return c;
}

破坏双亲委派模型

双亲委派模型很好的解决了各个类加载器加载基础类的统一性问题。即越基础的类由越上层的加载器进行加载。
若加载的基础类中须要回调用户代码，而这时顶层的类加载器没法识别这些用户代码，怎么办呢？这时就须要破坏双亲委派模型了。
下面介绍两个例子来说解破坏双亲委派模型的过程。

1. JNDI破坏双亲委派模型
   JNDI是Java标准服务，它的代码由启动类加载器去加载。可是JNDI须要回调独立厂商实现的代码，而类加载器没法识别这些回调代码（SPI）。
   为了解决这个问题，引入了一个线程上下文类加载器。 可经过Thread.setContextClassLoader()设置。
   利用线程上下文类加载器去加载所须要的SPI代码，即父类加载器请求子类加载器去完成类加载的过程，而破坏了双亲委派模型。

2. Spring破坏双亲委派模型
   Spring要对用户程序进行组织和管理，而用户程序通常放在WEB-INF目录下，由WebAppClassLoader类加载器加载，而Spring由Common类加载器或Shared类加载器加载。
   那么Spring是如何访问WEB-INF下的用户程序呢？
   使用线程上下文类加载器。 Spring加载类所用的classLoader都是经过Thread.currentThread().getContextClassLoader()获取的。当线程建立时会默认建立一个AppClassLoader类加载器（对应Tomcat中的WebAppclassLoader类加载器）： setContextClassLoader(AppClassLoader)。
   利用这个来加载用户程序。即任何一个线程均可经过getContextClassLoader()获取到WebAppclassLoader。

三 附上Tomcat类加载架构：

（图片来源：http://lib.csdn.net/article/java/60356）
Tomcat目录下有4组目录：

• /common目录下：类库能够被Tomcat和Web应用程序共同使用；由 Common ClassLoader类加载器加载目录下的类库；
• /server目录：类库只能被Tomcat可见；由 Catalina ClassLoader类加载器加载目录下的类库；
• /shared目录：类库对全部Web应用程序可见，但对Tomcat不可见；由 Shared ClassLoader类加载器加载目录下的类库；
• /WebApp/WEB-INF目录：仅仅对当前web应用程序可见。由 WebApp ClassLoader类加载器加载目录下的类库；
• 每个JSP文件对应一个JSP类加载器。

参考：《深刻理解Java虚拟机》