Внутренности JVM, Часть 1 — Загрузчик классов

Перевод статьи подготовлен специально для студентов курса «Разработчик Java».

---

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.
• Инициализация (initialization) — вызов Java-кода, который инициализирует переменные класса их правильными начальными значениями.

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:

• Кэш
• Родитель
• Сам загрузчик

Загрузчик классов сначала проверяет, не загружал ли он данный класс ранее. Если это так, то возвращается тот же класс, который возвращался в прошлый раз (класс, хранящийся в кэше). Если нет, то возможность загрузить класс предоставляется родителю. Эти два шага повторяются рекурсивно в глубину. Если родитель возвращает null (или бросает исключение ClassNotFoundException), тогда загрузчик ищет класс самостоятельно.

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.

Для просмотра встроенных загрузчиков классов можно использовать следующий код:

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 classloader

Подробнее изучить ClassLoader API вы можете здесь (JDK 11).