《深入理解Java虚拟机》第三版 - 06 - 类加载机制

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1. 类加载的时机

一个类型从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,它的整个生命周期将会经历加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)七个阶段,其中验证、准备、解析三个部分统称为连接(Linking):

Untitled

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的,类型的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始,而解析阶段则不一定:它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始,这是为了支持Java语言的运行时绑定特性(也称为动态绑定或晚期绑定)。

《Java虚拟机规范》规定有且仅有六种情况立即对类进行“初始化”,也就是对一个类型对主动引用

  1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时,如果类型没有进行过初始化,则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型Java代码场景有:·使用new关键字实例化对象的时候。·读取或设置一个类型的静态字段(被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)的时候。·调用一个类型的静态方法的时候。
  2. 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候,如果类型没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。
  3. 当初始化类的时候,如果发现其父类还没有进行过初始化,则需要先触发其父类的初始化。
  4. 当虚拟机启动时,用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的那个类),虚拟机会先初始化这个主类。
  5. 当使用JDK7新加入的动态语言支持时,如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄,并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。
  6. 当一个接口中定义了JDK8新加入的默认方法(被default关键字修饰的接口方法)时,如果有这个接口的实现类发生了初始化,那该接口要在其之前被初始化。

除此以外,都算作“被动引用”,有以下两个Demo。

  • Demo1

    /**
     * @author masaiqi
     * @date 2021/1/7 5:56 下午
     */
    public class DoJob {
    
        public static class SuperClass {
            static {
                System.out.println("SuperClass init.");
            }
            public static int value = 123;
        }
    
        public static class SubClass extends SuperClass {
            static {
                System.out.println("SubClass init.");
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println(SubClass.value);
        }
    
    }
    

    结果:

    Untitled

    即通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化。

  • Demo2:

    /**
     * @author masaiqi
     * @date 2021/1/7 5:56 下午
     */
    public class DoJob {
    
        public static class SuperClass {
            static {
                System.out.println("SuperClass init.");
            }
            public static int value = 123;
        }
    
        public static class SubClass extends SuperClass {
            static {
                System.out.println("SubClass init.");
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
            System.out.println("Finished");
        }
    }
    

    结果:

    Untitled

    说明没有触发这里的SuperClass类的初始化,而是触发了另一个LSuperClass的类的初始化阶段,这是一个由虚拟机自动生成的、直接继承于java.lang.Object的子类,创建动作由字节码指令newArray触发。

接口的加载过程与类加载过程稍有不同,针对接口需要做一些特殊说明:接口也有初始化过程,这点与类是一致的,上面的代码都是用静态语句块“static{}”来输出初始化信息的,而接口中不能使用“static{}”语句块,但编译器仍然会为接口生成“()”类构造器,用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类真正有所区别的是前面讲述的六种“有且仅有”需要触发初始化场景中的第三种:当一个类在初始化时,要求其父类全部都已经初始化过了,但是一个接口在初始化时,并不要求其父接口全部都完成了初始化,只有在真正使用到父接口的时候(如引用接口中定义的常量)才会初始化。

2. 类加载的过程

2.1. 加载

“加载”(Loading)阶段是整个“类加载”(Class Loading)过程中的一个阶段,在加载阶段,Java虚拟机需要完成以下三件事情:

  1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
  2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
  3. 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

加载阶段既可以使用Java虚拟机里内置的引导类加载器来完成,也可以由用户自定义的类加载器去完成,开发人员通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式(重写一个类加载器的findClass()或loadClass()方法),实现根据自己的想法来赋予应用程序获取运行代码的动态性。

对于数组类而言,情况就有所不同,数组类本身不通过类加载器创建,它是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系,因为数组类的元素类型(Element Type,指的是数组去掉所有维度的类型)最终还是要靠类加载器来完成加载。

加载阶段与连接阶段的部分动作(如一部分字节码文件格式验证动作)是交叉进行的,加载阶段尚未完成,连接阶段可能已经开始,但这些夹在加载阶段之中进行的动作,仍然属于连接阶段的一部分,这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

2.2. 验证

验证是连接阶段的第一步,这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求,保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

Class文件并不一定只能由Java源码编译而来,它可以使用包括靠键盘0和1直接在二进制编辑器中敲出Class文件在内的任何途径产生。Java虚拟机如果不检查输入的字节流,对其完全信任的话,很可能会因为载入了有错误或有恶意企图的字节码流而导致整个系统受攻击甚至崩溃,所以验证字节码是Java虚拟机保护自身的一项必要措施。验证阶段是非常重要的,这个阶段是否严谨,直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击,从代码量和耗费的执行性能的角度上讲,验证阶段的工作量在虚拟机的类加载过程中占了相当大的比重

从整体上看,验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作:文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证:

2.2.1. 文件格式验证

第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范,并且能被当前版本的虚拟机处理。

该验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内,格式上符合描述一个Java类型信息的要求。

这阶段的验证是基于二进制字节流进行的,只有通过了这个阶段的验证之后,这段字节流才被允许进入Java虚拟机内存的方法区中进行存储,所以后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构上进行的,不会再直接读取、操作字节流了。

比如:是否以魔数0xCAFEBABE开头等验证点。

2.2.2. 元数据验证

第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验,保证不存在与《Java语言规范》定义相悖的元数据信息。

比如:如果这个类不是抽象类,是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法。

2.2.3. 字节码验证

第三阶段要对类的方法体(Class文件中的Code属性)进行校验分析,保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。

比如:保证任何跳转指令都不会跳转到方法体以外的字节码指令上。

2.2.4. 符号引用验证

最后一个阶段的校验行为发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候,这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生。

符号引用验证可以看作是对类自身以外(常量池中的各种符号引用)的各类信息进行匹配性校验,通俗来说就是,该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。

比如:符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。

2.3. 准备

准备阶段是正式为类中定义的变量(即静态变量,被static修饰的变量)分配内存并设置类变量初始值的阶段,从概念上讲,这些变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配,但必须注意到方法区本身是一个逻辑上的区域,在JDK7及之前,HotSpot使用永久代来实现方法区时,实现是完全符合这种逻辑概念的;而在JDK8及之后,类变量则会随着Class对象一起存放在Java堆中,这时候“类变量在方法区”就完全是一种对逻辑概念的表述了。

  • 这时候进行内存分配的仅包括类变量,而不包括实例变量,实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。

  • 这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值,比如:

    public static int value = 123;
    

    初始值是0而不是123,value赋值123的动作需要到类的初始化阶段才会被执行。

2.4. 解析

解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

  • 符号引用(Symbolic References):符号引用以一组符号来描述所引用的目标,符号可以是任何形式的字面量,只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关,引用的目标并不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同,但是它们能接受的符号引用必须都是一致的,因为符号引用的字面量形式明确定义在《Java虚拟机规范》的Class文件格式中。
  • 直接引用(Direct References):直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局直接相关的,同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用,那引用的目标必定已经在虚拟机的内存中存在。

2.4.1. 类或接口的解析

假设当前代码所处的类为D,如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用,那虚拟机完成整个解析的过程需要包括以下3个步骤:

  1. 如果C不是一个数组类型,那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载过程中,由于元数据验证、字节码验证的需要,又可能触发其他相关类的加载动作,例如加载这个类的父类或实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常,解析过程就将宣告失败。
  2. 如果C是一个数组类型,并且数组的元素类型为对象,也就是N的描述符会是类似“[Ljava/lang/Integer”的形式,那将会按照第一点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所假设的形式,需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”,接着由虚拟机生成一个代表该数组维度和元素的数组对象。
  3. 如果上面两步没有出现任何异常,那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了,但在解析完成前还要进行符号引用验证,确认D是否具备对C的访问权限。如果发现不具备访问权限,将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

2.4.2. 字段解析

要解析一个未被解析过的字段符号引用,首先将会对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析,也就是字段所属的类或接口的符号引用。如果在解析这个类或接口符号引用的过程中出现了任何异常,都会导致字段符号引用解析的失败。

如果解析成功完成,那把这个字段所属的类或接口用C表示,《Java虚拟机规范》要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索:

  1. 如果C本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段,则返回这个字段的直接引用,查找结束。
  2. 否则,如果在C中实现了接口,将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口,如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段,则返回这个字段的直接引用,查找结束。
  3. 否则,如果C不是java.lang.Object的话,将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类,如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段,则返回这个字段的直接引用,查找结束。
  4. 否则,查找失败,抛出java.lang.NoSuchFieldError异常

2.4.3. 方法解析

方法解析的第一个步骤与字段解析一样,也是需要先解析出方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用,如果解析成功,那么我们依然用C表示这个类,接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的方法搜索:

  1. 由于Class文件格式中类的方法和接口的方法符号引用的常量类型定义是分开的,如果在类的方法表中发现class_index中索引的C是个接口的话,那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
  2. 如果通过了第一步,在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。
  3. 否则,在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。
  4. 否则,在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果存在匹配的方法,说明类C是一个抽象类,这时候查找结束,抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
  5. 否则,宣告方法查找失败,抛出java.lang.NoSuchMethodError。最后,如果查找过程成功返回了直接引用,将会对这个方法进行权限验证,如果发现不具备对此方法的访问权限,将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

2.4.4. 接口方法解析

接口方法也是需要先解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用,如果解析成功,依然用C表示这个接口,接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索:

  1. 与类的方法解析相反,如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口,那么就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
  2. 否则,在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。
  3. 否则,在接口C的父接口中递归查找,直到java.lang.Object类(接口方法的查找范围也会包括Object类中的方法)为止,看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。
  4. 对于规则3,由于Java的接口允许多重继承,如果C的不同父接口中存有多个简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,那将会从这多个方法中返回其中一个并结束查找,《Java虚拟机规范》中并没有进一步规则约束应该返回哪一个接口方法。但与之前字段查找类似地,不同发行商实现的Javac编译器有可能会按照更严格的约束拒绝编译这种代码来避免不确定性。
  5. 否则,宣告方法查找失败,抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

2.5. 初始化

直到初始化阶段,Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码,将主导权移交给应用程序。

进行准备阶段时,变量已经赋过一次系统要求的初始零值。在初始化阶段,则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源

初始化阶段也可以从另外一种更直接的形式来表达:执行类构造器()方法的过程。()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法,它是Javac编译器的自动生成物:

  • ()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块(static{}块)中的语句合并产生的,编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的,静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量,定义在它之后的变量,在前面的静态语句块可以赋值,但是不能访问

    public class Test {
    	static {
    		i = 0; //给变量复制可以正常编译通过
    		System.out.print(i); //这句编译器会提示“非法向前引用”
    	}
    	static int i = 1;
    }
    
  • ()方法与类的构造函数(即在虚拟机视角中的实例构造器()方法)不同,它不需要显式地调用父类构造器,Java虚拟机会保证在子类的()方法执行前,父类的()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的()方法的类型肯定是java.lang.Object

  • 由于父类的()方法先执行,也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作

  • ()方法对于类或接口来说并不是必需的,如果一个类中没有静态语句块,也没有对变量的赋值操作,那么编译器可以不为这个类生成()方法。

  • 接口中不能使用静态语句块,但仍然有变量初始化的赋值操作,因此接口与类一样都会生成()方法。但接口与类不同的是,执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法,因为只有当父接口中定义的变量被使用时,父接口才会被初始化。此外,接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法

  • Java虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁同步,如果多个线程同时去初始化一个类,那么只会有其中一个线程去执行这个类的()方法,其他线程都需要阻塞等待,直到活动线程执行完毕()方法。如果在一个类的()方法中有耗时很长的操作,那就可能造成多个进程阻塞,虽然其他线程虽然会被阻塞,但如果执行<clinit>()方法的那条线程退出<clinit>()方法后,其他线程唤醒后则不会再次进入<clinit>()方法。同一个类加载器下,一个类型只会被初始化一次。

3. 类加载器

通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流”这个动作是放在Java虚拟机外部实现的,以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。实现这个动作的代码被称为“类加载器”(Class Loader)。

3.1. 类与类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作,但它在Java程序中起到的作用却远超类加载阶段。对于任意一个类,都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性,每一个类加载器,都拥有一个独立的类名称空间。这句话可以表达得更通俗一些:比较两个类是否“相等”,只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义,否则,即使这两个类来源于同一个Class文件,被同一个Java虚拟机加载,只要加载它们的类加载器不同,那这两个类就必定不相等。

这里所指的“相等”,包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果,也包括了使用instanceof关键字做对象所属关系判定等各种情况。

3.2. 类加载器的种类

站在Java虚拟机的角度来看,只存在两种不同的类加载器:

  • 启动类加载器(BootstrapClassLoader),这个类加载器使用C++语言实现,是虚拟机自身的一部分;
  • 其他所有的类加载器,这些类加载器都由Java语言实现,独立存在于虚拟机外部,并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

站在Java开发人员的角度来看,类加载器就应当划分得更细致一些:

  • 启动类加载器(Bootstrap Class Loader):这个类加载器负责加载存放在<JAVA_HOME>\lib目录,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的,而且是Java虚拟机能够识别的(按照文件名识别,如rt.jar、tools.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机的内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用,用户在编写自定义类加载器时,如果需要把加载请求委派给引导类加载器去处理,直接使用null代替即可。
  • 扩展类加载器(Extension Class Loader):这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader中以Java代码的形式实现的。它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中,或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。根据“扩展类加载器”这个名称,就可以推断出这是一种Java系统类库的扩展机制,JDK的开发团队允许用户将具有通用性的类库放置在ext目录里以扩展JavaSE的功能,在JDK9之后,这种扩展机制被模块化带来的天然的扩展能力所取代。由于扩展类加载器是由Java代码实现的,开发者可以直接在程序中使用扩展类加载器来加载Class文件。
  • 应用程序类加载器(Application Class Loader):这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystemClassLoader()方法的返回值,所以有些场合中也称它为“系统类加载器”。它负责加载用户类路径(ClassPath)上所有的类库,开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器,一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

3.3. 双亲委派模型

双亲委派模型(Parents Delegation Model)要求除了顶层的启动类加载器外,其余的类加载器都应有自己的父类加载器。不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承(Inheritance)的关系来实现的,而是通常使用组合(Composition)关系来复用父加载器的代码:

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双亲委派模型的工作过程是:如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把这个请求委派给父类加载器去完成,每一个层次的类加载器都是如此,因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中,只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需的类)时,子加载器才会尝试自己去完成加载

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系,一个显而易见的好处就是Java中的类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。

3.4. 破坏双亲委派模型

  • 重写java.lang.ClassLoader中的#loadClass()方法。java.lang.ClassLoader有一个protected的方法#findClass()是提供给用户重写的,双亲委派时会先调用#loadClass(),从父类加载失败后,再调用自己的#findClass()方法完成加载。如果重写#loadClass()等于破坏了双亲委派的机制

  • 通过线程上下文类加载器(Thread Context ClassLoader),基础类型又要调回用户代码场景下(比如基础层次的类加载器类调用户自定义类加载器的类),比如JNDI、JDBC、JBI等。

    JNDI需要调用由其他厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI服务提供者接口(Service Provider Interface,SPI)的代码,但是启动类加载器在双亲委派机制下无法做到,因此Java的设计团队只好引入了一个不太优雅的设计:线程上下文类加载器(Thread Context ClassLoader)。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader()方法进行设置,如果创建线程时还未设置,它将会从父线程中继承一个,如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话,那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。JNDI服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需的SPI服务代码,这是一种父类加载器去请求子类加载器完成类加载的行为,这种行为实际上是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器,已经违背了双亲委派模型的一般性原则

  • 通过OSGi等手段追求程序动态性(代码热替换(HotSwap)、模块热部署(HotDeployment)等。)。

    OSGi实现模块化热部署的关键是它自定义的类加载器机制的实现,每一个程序模块(OSGi中称为Bundle)都有一个自己的类加载器,当需要更换一个Bundle时,就把Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。在OSGi环境下,类加载器不再双亲委派模型推荐的树状结构,而是进一步发展为更加复杂的网状结构,当收到类加载请求时,OSGi将按照下面的顺序进行类搜索:

    1. 将以java.*开头的类,委派给父类加载器加载。
    2. 否则,将委派列表名单内的类,委派给父类加载器加载。
    3. 否则,将Import列表中的类,委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。
    4. 否则,查找当前Bundle的ClassPath,使用自己的类加载器加载。
    5. 否则,查找类是否在自己的FragmentBundle中,如果在,则委派给FragmentBundle的类加载器加载。
    6. 否则,查找DynamicImport列表的Bundle,委派给对应Bundle的类加载器加载。
    7. 否则,类查找失败。

    上面的查找顺序中只有开头两点仍然符合双亲委派模型的原则,其余的类查找都是在平级的类加载器中进行的,违背了双亲委派机制。

  • JDK9后模块化系统中,如果某一模块有指定归属的类加载器负责,需要优先委派给负责的模块加载。

4. Java模块化系统

JDK9中引入的Java模块化系统(Java Platform Module System,JPMS)是对Java技术的一次重要升级,为了能够实现模块化的关键目标——可配置的封装隔离机制,Java虚拟机对类加载架构也做出了相应的变动调整,才使模块化系统得以顺利地运作。

Java的模块定义包含以下内容:

  • 应用代码
  • 依赖其他模块的列表。
  • 导出的包列表,即其他模块可以使用的列表。
  • 开放的包列表,即其他模块可反射访问模块的列表。
  • 使用的服务列表。
  • 提供服务的实现列表。

4.1. 模块化的优点

  • 模块化解决了JDK9之前基于类路径(ClassPath)查找依赖的可靠性问题:
    • 在JDK9以前,如果类路径中缺失了运行时依赖的类型,那就只能等程序运行到发生该类型的加载、链接时才会报出运行的异常。
    • 在JDK9以后,如果启用了模块化进行封装,模块就可以声明对其他模块的显式依赖,这样Java虚拟机就能够在启动时验证应用程序开发阶段设定好的依赖关系在运行期是否完备,如有缺失那就直接启动失败,从而避免了很大一部分由于类型依赖而引发的运行时异常。
  • **模块化解决了原来类路径上跨JAR文件的public类型的可访问性问题,提供了更精细的可访问性控制。**JDK9中的public类型不再意味着程序的所有地方的代码都可以随意访问到它们,必须明确声明其中哪一些public的类型可以被其他哪一些模块访问,这种访问控制也主要是在类加载过程中的“解析”阶段完成的。

4.2. 模块的兼容性

为了模块化能够兼容传统的类路径查找机制,JDK9提出了与“类路径”(ClassPath)相对应的“模块路径”(ModulePath)的概念

  • 只要是放在类路径上的JAR文件,无论其中是否包含模块化信息(是否包含了module-info.class文件),它都会被当作传统的JAR包来对待;
  • 只要放在模块路径上的JAR文件,即使没有使用JMOD后缀,甚至说其中并不包含module-info.class文件,它也仍然会被当作一个模块来对待。

JDK9之前的Java应用(使用传统类路径)依然可以不经修改地直接运行在JDK9及以后的Java版本上,主要通过以下手段:

  • **JAR文件在类路径的访问规则:所有类路径下的JAR文件及其他资源文件,都被视为自动打包在一个匿名模块(Unnamed Module)里,这个匿名模块几乎是没有任何隔离的,**它可以看到和使用类路径上所有的包、JDK系统模块中所有的导出包,以及模块路径上所有模块中导出的包。
  • 模块在模块路径的访问规则:模块路径下的具名模块(Named Module)只能访问到它依赖定义中列明依赖的模块和包,匿名模块里所有的内容对具名模块来说都是不可见的,即具名模块看不见传统JAR包的内容
  • JAR文件在模块路径的访问规则:如果把一个传统的、不包含模块定义的JAR文件放置到模块路径中,它就会变成一个自动模块(Automatic Module)。尽管不包含module-info.class,但自动模块将默认依赖于整个模块路径中的所有模块,因此可以访问到所有模块导出的包,自动模块也默认导出自己所有的包。

4.3. 模块化下的类加载器

  • JDK9后,扩展类加载器(Extension Class Loader)被平台类加载器(Platform Class Loader)取代:既然整个JDK都基于模块化进行构建(原来的rt.jar和tools.jar被拆分成数十个JMOD文件),其中的Java类库就已天然地满足了可扩展的需求,那自然无须再保留<JAVA_HOME>\lib\ext目录,此前使用这个目录或者java.ext.dirs系统变量来扩展JDK功能的机制已经没有继续存在的价值了,用来加载这部分类库的扩展类加载器也完成了它的历史使命

  • 平台类加载器和应用程序类加载器都不再派生自java.net.URLClassLoader,如果有程序直接依赖了这种继承关系,或者依赖了URLClassLoader类的特定方法,那代码很可能会在JDK9及更高版本的JDK中崩溃。现在启动类加载器、平台类加载器、应用程序类加载器全都继承于jdk.internal.loader.BuiltinClassLoader,在BuiltinClassLoader中实现了新的模块化架构下类如何从模块中加载的逻辑,以及模块中资源可访问性的处理

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    这里有“BootClassLoader”存在,启动类加载器现在是在Java虚拟机内部和Java类库共同协作实现的类加载器,尽管有了BootClassLoader这样的Java类,但为了与之前的代码保持兼容,所有在获取启动类加载器的场景(譬如Object.class.getClassLoader())中仍然会返回null来代替,而不会得到BootClassLoader的实例。

  • JDK9后的类加载器委派关系:

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    JDK9中虽然仍然维持着三层类加载器和双亲委派的架构,但类加载的委派关系也发生了变动。当平台及应用程序类加载器收到类加载请求,在委派给父加载器加载前,要先判断该类是否能够归属到某一个系统模块中,如果可以找到这样的归属关系,就要优先委派给负责那个模块的加载器完成加载,这也破坏了双亲委派机制。

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