Внутренности JVM, Часть 1 — Загрузчик классов
В этой серии статей я расскажу о том, как работает Java Virtual Machine. Сегодня мы рассмотрим механизм загрузки классов в JVM.
Виртуальная машина Java — это сердце экосистемы Java-технологий. Она делает для Java-программ возможность реализации принципа «написано один раз, работает везде» (write once run everywhere). Как и другие виртуальные машины, JVM представляет собой абстрактный компьютер. Основная задача JVM — загружать class-файлы и выполнять содержащийся в них байт-код.
В состав JVM входят различные компоненты, такие как загрузчик классов (Classloader), сборщик мусора (Garbage Collector) (автоматическое управление памятью), интерпретатор, JIT-компилятор, компоненты управления потоками. В этой статье рассмотрим загрузчик классов (Class loader).
Загрузчик классов загружает class-файлы как для вашего приложения, так и для Java API. В виртуальную машину загружаются только те class-файлы Java API, которые действительно требуются при выполнении программы.
Байт-код выполняется подсистемой исполнения (execution engine).
Что такое загрузка классов?
Загрузка классов — это поиск и загрузка типов (классов и интерфейсов) динамически во время выполнения программы. Данные о типах находятся в бинарных class-файлах.
Этапы загрузки классов
Подсистема загрузчика классов отвечает не только за поиск и импорт бинарных данных класса. Она также выполняет проверку правильности импортируемых классов, выделяет и инициализирует память для переменных класса, помогает в разрешении символьных ссылок. Эти действия выполняются в следующем порядке:
- Загрузка (loading) — поиск и импорт бинарных данных для типа по его имени, создание класса или интерфейса из этого бинарного представления.
- Связывание, линковка (linking) — выполнение верификации, подготовки и, необязательного, разрешения:
- Верификация (verification) — проверка корректности импортируемого типа.
- Подготовка (preparation) — выделение памяти для статических переменных класса и инициализация памяти значениями по умолчанию.
- Разрешение (resolution) — преобразование символьных ссылок типов в прямые ссылки.
Примечание — загрузчик классов, помимо загрузки классов, также отвечает за поиск ресурсов. Ресурс — это некоторые данные (например, “.class” файл, данные конфигурации, изображения), которые идентифицируются с помощью абстрактного пути, разделенного символом «/». Ресурсы обычно упаковываются вместе с приложением или библиотекой для того, чтобы их можно было использовать в коде приложения или библиотеки.
Механизм загрузки классов в Java
Примечание переводчика — в данном разделе описано поведение для java < 9, в java 9+ произошли небольшие изменения, которые описаны ниже.
В Java используется модель делегирования загрузки классов. Основная идея состоит в том, что у каждого загрузчика классов есть “родительский” загрузчик. Когда происходит загрузка класса, то загрузчик “делегирует” поиск класса своему родителю, перед тем как искать класс самостоятельно.
Модель делегирования загрузчиков классов представляет собой граф загрузчиков, которые передают друг другу запросы на загрузку. Корнем в этом графе является bootstrap-загрузчик. Загрузчики классов создаются с одним родителем, которому они могут делегировать загрузку, и осуществляют поиск класса в следующих местах:
Класс загружается тем загрузчиком, который ближе всего к корню, поскольку право первому загрузить класс всегда предоставляется загрузчику-родителю. Это позволяет загрузчику видеть только классы, загруженные самостоятельно, его родителем или предками. Он не может видеть классы, загруженные дочерними загрузчиками.
В Java SE Platform API исторически было определено два загрузчика классов:
Bootstrap class loader (базовый, первичный загрузчик) — загружает классы из bootstrap classpath.
System class loader (системный загрузчик) — родительский класс для новых загрузчиков классов и, как правило, загрузчик классов, используемый для загрузки и запуска приложения.
Загрузчики классов JDK 9+
Application class loader — обычно используется для загрузки классов приложения из classpath. Также это загрузчик по умолчанию для некоторых модулей JDK, которые содержат утилиты или экспортируют API утилит. (Примечание переводчика: например, jdk.jconsole , jdk.jshell и др)
Platform class loader — загружает выбранные (на основе безопасности / разрешений) модули Java SE и JDK. Например, java.sql.
Bootstrap class loader — загружает основные модули Java SE и JDK.
Эти три встроенных загрузчика классов работают вместе следующим образом:
- Application class loader сначала ищет именованные модули, определенные для всех встроенных загрузчиков. Если для одного из этих загрузчиков определен подходящий модуль, то этот загрузчик загружает класс. Если в именованном модуле, определенном для одного из этих загрузчиков, класс не найден, тогда application class loader делегирует его родителю. Если класс не найден родителем, то application class loader ищет его в classpath. Классы, найденные в classpath, загружаются как члены безымянного модуля этого загрузчика.
- Platform class loader выполняет поиск именованных модулей, определенных для всех встроенных загрузчиков. Если подходящий модуль определен для одного из этих загрузчиков, тогда этот загрузчик загружает класс. Если в именованном модуле, определенном для одного из этих загрузчиков, класс не найден, тогда platform class loader делегирует его родителю.
- Bootstrap class loader выполняет поиск именованных модулей, определенных для него самого. Если класс не найден в именованном модуле, определенном для bootstrap-загрузчика, тогда bootstrap-загрузчик ищет файлы и каталоги, добавленные в bootstrap classpath, с помощью параметра -Xbootclasspath/a (позволяет добавить файлы и каталоги к bootstrap classpath). Классы, найденные в bootstrap classpath, загружаются как члены безымянного модуля этого загрузчика.
package ru.deft.homework; import java.sql.Date; public class BuiltInClassLoadersDemo < public static void main(String[] args) < BuiltInClassLoadersDemo demoObject = new BuiltInClassLoadersDemo(); ClassLoader applicationClassLoader = demoObject.getClass().getClassLoader(); printClassLoaderDetails(applicationClassLoader); // java.sql classes are loaded by platform classloader java.sql.Date now = new Date(System.currentTimeMillis()); ClassLoader platformClassLoder = now.getClass().getClassLoader(); printClassLoaderDetails(platformClassLoder); // java.lang classes are loaded by bootstrap classloader ClassLoader bootstrapClassLoder = args.getClass().getClassLoader(); printClassLoaderDetails(bootstrapClassLoder); >private static void printClassLoaderDetails(ClassLoader classLoader) < // bootstrap classloader is represented by null in JVM if (classLoader != null) < System.out.println("ClassLoader name : " + classLoader.getName()); System.out.println("ClassLoader class : " + classLoader.getClass().getName()); >else < System.out.println("Bootstrap classloader"); >> >Запустив этот код на установленном у меня Amazon Corretto 11.0.3, получим следующий результат:
ClassLoader name : app ClassLoader class : jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader ClassLoader name : platform ClassLoader class : jdk.internal.loader.ClassLoaders$PlatformClassLoader Bootstrap classloaderЗагрузка классов в Java. Теория
Одной из основных особенностей платформы Java является модель динамической загрузки классов, которая позволяет загружать исполняемый код в JRE не перезагружая основое приложение. Такая особенность широко используется в серверах приложений, получивших последнее время высокую популярность.
В статье рассмотрены базовые понятия, аспекты и принципы модели динамической загрузки кода. В следующей статье будет рассмотрена реализация собственного загрузчика классов, как основного механизма приложения с плагино-модульной архитектурой.
Введение
Любой класс (экземпляр класса java.lang.Class в среде и .class файл в файловой системе), используемый в среде исполнения был так или иначе загружен каким-либо загрузчиком в Java. Для того, чтобы получить загрузчик, которым был загружен класс А, необходимо воспользоваться методом A.class.getClassLoader().
Классы загружаются по мере надобности, за небольшим исключением. Некоторые базовые классы из rt.jar (java.lang.* в частности) загружаются при старте приложения. Классы расширений ($JAVA_HOME/lib/ext), пользовательские и большинство системных классов загружаются по мере их использования.
Виды загрузчиков
Различают 3-и вида загрузчиков в Java. Это — базовый загрузчик (bootstrap), системный загрузчик (System Classloader), загрузчик расширений (Extension Classloader).
Bootstrap — реализован на уровне JVM и не имеет обратной связи со средой исполнения. Данным загрузчиком загружаются классы из директории $JAVA_HOME/lib. Т.е. всеми любимый rt.jar загружается именно базовым загрузчиком. Поэтому, попытка получения загрузчика у классов java.* всегда заканчиватся null’ом. Это объясняется тем, что все базовые классы загружены базовым загрузчиком, доступа к которому из управляемой среды нет.
Управлять загрузкой базовых классов можно с помощью ключа -Xbootclasspath, который позволяет переопределять наборы базовых классов.
System Classloader — системный загрузчик, реализованный уже на уровне JRE. В Sun JRE — это класс sun.misc.Launcher$AppClassLoader. Этим загрузчиком загружаются классы, пути к которым указаны в переменной окружения CLASSPATH.
Управлять загрузкой системных классов можно с помощью ключа -classpath или системной опцией java.class.path.
Extension Classloader — загрузчик расширений. Данный загрузчик загружает классы из директории $JAVA_HOME/lib/ext. В Sun JRE — это класс sun.misc.Launcher$ExtClassLoader.
Управлять загрузкой расширений можно с помощью системной опции java.ext.dirs.
Понятия
Различают текущий загрузчик (Current Classloader) и загрузчик контекста (Context Classloader).
Current Classloader — это загрузчик класса, код которого в данный момент исполняется. Текущий загрузчик используется по умолчанию для загрузки классов в процессе исполнения. В часности, при использовании метода Class.forName(«»)/ClassLoader.loadClass(«») или при любой декларации класса, ранее не загруженного.
Context Classloader — загрузчик контекста текущего потока. Получить и установить данный загрузчик можно с помощью методов Thread.getContextClassLoader()/Thread.setContextClassLoader(). Загрузчик контекста устанавливается автоматически для каждого нового потока. При этом, используется загрузчик родительского потока.
Модель делегирования загрузки
Начиная с версии Java 2 Platform, Standard Edition, v1.2 загрузчики классов образуют иерархию. Корневым является базовый (у него предка нет). Все остальные загрузчики при инициализации инстанциируют ссылку на родительский загрузчик. Такая иерархия необходима для модели делегирования загрузки. В общем случа, иерархия выглядит следующим образом.
Право загрузки класса рекурсивно делегируется от самого нижнего загрузчика в иерархии к самому верхнему. Такой подход позволяет загружать классы тем загрузчиком, который максимально близко находится к базовому. Так достигается максимальная область видимости классов. Под областью видимости подразумевается следующее. Каждый загрузчик ведет учет классов, которые были им загружены. Множество этих классов и назвается областью видимости.
Рассмотрим процесс загрузки более детально. Пусть в систем исполнения встретилась декларация переменной пользовательского класс Student.
1) Системный загрузчик попытается поискать в кеше класс Student.
_1.1) Если класс найден, загрузка окончена.
_1.2) Если класс не найден, загрузка делегируется загрузчику расширений.
2) Загрузчик расширений попытается поискать в кеше класс Student.
_2.1) Если класс найден, загрузка окончена.
_2.2) Если класс не найден, загрузка делегируется базовому загрузчику.
3) Базовый загрузчик попытается поискать в кеше класс Student.
_3.1) Если класс найден, загрузка окончена.
_3.2) Если класс не найден, базовый загрузчик попытается его загрузить.
__3.2.1) Если загрузка прошла успешно, она закончена 😉
__3.2.2) Иначе управление предается загрузчику раширений.
_3.3) Загрузчик расширений пытается загрузить класс.
__3.3.1) Если загрузка прошла успешно, она закончена 😉
__3.3.2) Иначе управление предается системному загрузчику.
_3.4) Системный загрузчик пытается загрузить класс.
__3.4.1) Если загрузка прошла успешно, она закончена 😉
__3.4.2) Иначе генерируется исключение java.lang.ClassNotFoundException.Если в системе присутствуют пользовательские загрузчики, они должны
а) расширять класс java.lang.ClassLoader;
б) поддерживать модель динамической загрузки.Inside
Запустим простейшее приложениие с ключем -verbose:class.
public static void main( String args[]) C c = new C();
B b = new B();
A a = new A();
>
>* This source code was highlighted with Source Code Highlighter .
Вывод показывает, что классы были загружены не в том порядке в котором были использованы. Это обусловлено наследованием.
[Loaded Main from file:/C:/devel/CL/bin/]
[Loaded A from file:/C:/devel/CL/bin/]
[Loaded B from file:/C:/devel/CL/bin/]
[Loaded C from file:/C:/devel/CL/bin/]
