0x01.某廠面試題
請闡述Java自帶哪些加載器以及對應(yīng)的職責(zé)？
(1)Bootstrap ClassLoader(啟動類加載器)：負(fù)責(zé)加載<JAVA_HOME>\lib目錄，或-Xbootclasspath指定目錄下的jar。
特殊說明：JVM認(rèn)為合理的jar文件名才會被加載，例如：rt.jar、tools.jar，文件名不符合的jar即使放在上述目錄下也不會被加載。
(2)Extension ClassLoader(擴展類加載器)：負(fù)責(zé)加載<JAVA_HOME>\lib\ext目錄，或java.ext.dirs指定目錄下的jar。
特殊說明：Java9以后引入了模塊化機制，此加載器被此機制取代。
(3)Application ClassLoader(應(yīng)用程序類加載器)：負(fù)責(zé)加載用戶類路徑(ClassPath)上的jar包。
此題出處：周志明的《深入理解Java虛擬機》-7.4.類加載器，變形題很多：
例如：請你選出哪些不是Java自帶的類加載器；
例如：給出各類類加載器的描述、職責(zé)，選錯誤的；
例如：將上述類加載器的特殊說明作為干擾選項；——這種題可以無情坑殺很多程序猿...
0x02.不要背，要理解
至此，我們似乎沒必要大費周章地解讀這樣一道記憶題。背下來不就可以了嗎？筆者認(rèn)為不是：
發(fā)展24年的Java及JVM，歷經(jīng)若干版本的商業(yè)斗爭(A new future for Java)，衍生出若干語(語)言(法)特(陷)性(阱)。
"背下來就行"的前提有二，可惜對于Java這些語(語)言(法)特(陷)性(阱)都不成立：
(1)知識輸入是無二義性的、與時俱進(jìn)的。
(2)知識輸入是有限集。
所以，筆者堅定的認(rèn)為唯Java程序員最有資格喊出"我禿了，我也變強了"。
所以，筆者堅定的認(rèn)為唯"深刻理解JVM"(即，深刻理解語法特性到JVM層，甚至操作系統(tǒng)層)，是Java程序員的最有效的防禿良藥。
0x03.從韓國星工廠看類加載機制的全貌
From《深入理解Java虛擬機》-周志明
Java虛擬機將描述類的數(shù)據(jù)從Class文件加載到內(nèi)存，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗、轉(zhuǎn)換解析和初始化，最終變成被虛擬機可以直接使用的Java類型，這個過程被稱作Java虛擬機的類加載機制......與那些在編譯時需要進(jìn)行連接的語言不同，在Java語言里面，類型的加載、連接和初始化過程都是在程序運行期間完成的......用戶可以通過Java預(yù)置的或自定義類加載器...作為其程序代碼的一部分。
從這段經(jīng)典且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拿枋觯覀兛梢猿橄?個問題，以此宏觀地獲得類加載機制的全貌：
問題1：加載什么？
問題2：加載得到了什么？
問題3：從哪里加載？
問題4：加載到哪里去？
問題5：何時加載？
問題6：加載流程有幾步？
問題7：加載流程如何實現(xiàn)？
問題8：類加載器的約束？
(1)加載什么？
我們在.java文件中編寫了一堆代碼，被轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼(.class文件)，JVM加載就是這個字節(jié)碼。
這個字節(jié)碼描述的信息[1]包括(但不限于)：
有哪些類、哪些接口；
每個類有哪些屬性、行為；
類和類的關(guān)系；
...
這些信息就是程序員定義的"模板"，在程序運行時，當(dāng)需要基于類A創(chuàng)建實例對象a時，JVM就要先找到類A對應(yīng)的"模板"。
這些"模板"，就像韓國星工場包裝女團時的"劇本"，每個女星都是基于某個"模板"創(chuàng)建的實例對象，女星的身高、體重、才藝就是"模板"中描述的"屬性、行為"。
[1]:本文聚焦類加載機制的全貌，以后再其他文章展開
(2)加載得到了什么？
字節(jié)碼加載到內(nèi)存后得到的信息內(nèi)容還是(1)中提到的字節(jié)碼中包含的信息，但信息形式變了，抽象、簡單地理解為JVM能認(rèn)識的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[2]。
這就像娛樂公司的策劃團隊在電腦上寫好了女團出道的"劇本"，女團的經(jīng)紀(jì)人要無差錯地仔細(xì)閱讀"劇本"的電子件，把"劇本"存儲在大腦中，以備后續(xù)使用。
[2]:本文聚焦類加載機制的全貌，以后再其他文章展開
(3)從哪里加載？
用一張表，說明字節(jié)碼文件與經(jīng)紀(jì)人的類比關(guān)系：
| 字節(jié)碼文件在哪里？ | 劇本在哪里？ |
|---|---|
| 在本地磁盤上，JVM在指定目錄去查找 | 在電腦上，經(jīng)紀(jì)人去指定目錄去打開看 |
| 在網(wǎng)絡(luò)上，JVM在指定網(wǎng)絡(luò)路徑上去查找 | 在某個網(wǎng)站上，經(jīng)紀(jì)人去這個網(wǎng)站上看 |
| JVM根據(jù)某些規(guī)則動態(tài)生成 | 經(jīng)紀(jì)人自行加戲，隨機應(yīng)變 |
這一點也是JVM給Java程序員的自由，很多著名的產(chǎn)品就是在這個點上做了文章。
(4)加載到哪里去？
這個問題最好回答：內(nèi)存，具體指的是JVM的運行時數(shù)據(jù)區(qū)，再具體一點是運行時數(shù)據(jù)區(qū)中的方法區(qū)[3]
[3]:本文聚焦類加載機制的全貌，以后再其他文章展開
(5)何時加載？
類加載發(fā)生在運行時，這也是Java、C#這類語言推崇的動態(tài)性。
動態(tài)性是一把雙刃劍，運行時加載意味著需要"邊執(zhí)行，邊連接"。
這就好像女團經(jīng)紀(jì)人不是提前把"劇本"爛熟于胸，而是到了女團演出現(xiàn)場，才掏出"劇本"，現(xiàn)場理解、現(xiàn)場執(zhí)行。
以現(xiàn)實生活的經(jīng)驗，這樣的經(jīng)紀(jì)人，看起來不太靠譜。
當(dāng)然，動態(tài)性一定是源于某些特定場景和需求，Java為了靠譜，也引出了虛擬機中另一個大的課題：JIT(即時編譯)，圍繞著"如何提升運行時的編譯效率"會有很多有趣的故事。
(6)加載流程有幾步？
在(2)中我們提到女團的經(jīng)紀(jì)人要無差錯地仔細(xì)閱讀"劇本"的電子件，關(guān)鍵詞是無差錯
我們再用一張表，類比一下[4]
| 加載流程？ | 經(jīng)紀(jì)人閱讀劇本的流程？ |
|---|---|
| STEP1.加載(Load)：將字節(jié)碼文件變成內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) | STEP1.加載：經(jīng)紀(jì)人打開劇本，讀了一遍劇本 |
| STEP2.連接(Link) | STEP2.連接 |
| STEP2.1.驗證(Verify)：驗證文件格式、元數(shù)據(jù)、字節(jié)碼、符號引用，最終保證JVM的安全可靠 | STEP2.1.驗證：經(jīng)紀(jì)人若有所思的翻了翻劇本，確認(rèn)沒拿錯劇本吧？不會是包裝男團的劇本吧？ |
| STEP2.2.準(zhǔn)備(Prepare)："static"的內(nèi)存分配與賦值 | STEP2.2.準(zhǔn)備：女團不管包裝幾個人(實例)，她們肯定需要一個訓(xùn)練房(static變量)，現(xiàn)在就租好 |
| STEP2.3.解析(Resolve)：符號引用轉(zhuǎn)為直接引用。例如：類A有個成員變量，類型是類B，類B在哪呢？ | STEP2.3.解析：劇本中Lisa的那一頁說她出道前在一個泰國舞團，泰國舞團的資料在劇本附件2，經(jīng)紀(jì)人如果需要查看泰國舞團資料的時候，就知道去翻附件2 |
| STEP3.初始化(Init)：執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)，觸發(fā)關(guān)聯(lián)類的解析 | STEP3.初始化：經(jīng)紀(jì)人前期準(zhǔn)備差不過了，可以給Lisa(實例)打個電話：Lisa同學(xué)，快來做一下出道前的準(zhǔn)備(構(gòu)造函數(shù)) |
表格中存在不嚴(yán)謹(jǐn)(通俗)的表達(dá)，但相信讀者已經(jīng)關(guān)注到了兩個核心要點：
(1)加載流程有幾步
(2)每一步的作用是什么
[4]:上述加載流程每一步存在一些JVM實現(xiàn)的細(xì)節(jié)，例如：上述步驟一定是順序執(zhí)行的嗎？例如：直接引用需要反復(fù)解析嗎？這些都有必要詳細(xì)解讀，本文暫不展開。
(7)加載流程如何實現(xiàn)？
至此，終于可以和本文開頭的面試題呼應(yīng)上了，前文我們探討了
加載什么=>加載得到了什么=>從哪里加載=>加載到哪里去=>何時加載=>加載流程有幾步
那么這都是JVM的規(guī)范、規(guī)格，怎么實現(xiàn)？類加載器就是類加載機制的具體實現(xiàn)。
不同類型的加載器相當(dāng)于公司不同的角色，都去自己專屬的文件夾去查找并加載類
Bootstrap加載器相當(dāng)于經(jīng)濟公司老板
Extension加載器相當(dāng)于經(jīng)紀(jì)人
Application加載器相當(dāng)于女團藝人
(8)類加載器的約束？
既然有不同的類加載器，它們之間必然有配合關(guān)系，否則兩個人干了同一個工作，對外口徑還不同，咋辦？
JVM定義了這種配合關(guān)系，還取了個高大上的名字"雙親委派模型"，筆者認(rèn)為這種模型應(yīng)該叫"保姆式管理模型"
還是一張表類比一下：
| 雙親委派模型 | 保姆式管理模型 |
|---|---|
| STEP1.程序需要加載一個類 | STEP1.記者問Lisa：某天晚上和你一起上車的神秘男子是誰？ |
| STEP2.Application加載器一臉懵逼的問Extention加載器，領(lǐng)導(dǎo)，你能加載不？ | STEP2.Lisa一臉懵逼的問經(jīng)紀(jì)人，歐巴，你幫我回答一下嘛？ |
| STEP3.Extention加載器無助的看著Bootstrap加載器，領(lǐng)導(dǎo)，你能加載不？ | STEP3.經(jīng)紀(jì)人無助的看看經(jīng)紀(jì)公司老板，老大，還是你回答一下吧 |
| STEP4.Bootstrap加載器無奈的搖搖頭：試試看吧，我能加載就加載，不能的話，Extension，還是你自己試試 | STEP4.老板搖搖頭：試試看吧，我能回答就回答，不能答復(fù)，經(jīng)紀(jì)人，你自己試試 |
| STEP5.(假設(shè)Bootstrap不能加載)Extension無奈的搖搖頭：我自己試試吧，不能加載的話，Application，你自己試試吧。 | STEP6.(假設(shè)老板不能答復(fù))經(jīng)紀(jì)人苦笑了：我試試吧，不能回答，Lisa，你自己上吧。 |
| STEP7.(假設(shè)Extension不能加載)：Application自己來吧 | STEP7.(假設(shè)經(jīng)紀(jì)人不能回答)Lisa嬌羞道的回答記者：恩~~倫家也不知道...反正不是蔡徐坤... |
雙親委派模型，本質(zhì)上是說"領(lǐng)導(dǎo)先上，領(lǐng)導(dǎo)不行我再上"。
這種管理風(fēng)格，自然也有弊端。歷史上有4次破壞雙親委派模型[5]的事件。
破壞雙親委派模型的本質(zhì)，是"管理團隊的風(fēng)格多樣化"，例如："扁平化團隊"、"先干了再說團隊"等等。
[5]:每種"管理風(fēng)格"也各有利弊，這也是JVM發(fā)展歷程中可以仔細(xì)學(xué)習(xí)的技術(shù)點，筆者在后續(xù)文章中再來探討。
0x03 小結(jié)
我們從一道面試題開始，通過8個問題看到了類加載機制的全貌。
加載什么->加載得到了什么->從哪里加載->加載到哪里去->何時加載->加載流程有幾步->加載流程如何實現(xiàn)->類加載器的約束
本文篇幅有限，還留下了一些重要、有趣的細(xì)節(jié)，未來筆者還會繼續(xù)展開
字節(jié)碼描述的信息
JVM能認(rèn)識的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
方法區(qū)的結(jié)構(gòu)
加載流程每一步存在一些JVM實現(xiàn)的細(xì)節(jié)
破壞雙親委派模型
最后，筆者還想談?wù)?理解優(yōu)于記憶"的個人觀點：深入理解JVM的原理對于實戰(zhàn)的意義就是"先驗知識"，是"性能調(diào)優(yōu)、內(nèi)存泄露、OSGI"等疑難雜癥、高級框架的"基礎(chǔ)"，如果能看到這類面試題背后的Why、What、How，您就獲得了探尋計算機秘境的不二法門。
