【一问一答】Java 类加载对性能的影响

曾经终败给现在 2023-09-28 22:12 33阅读 0赞

> 在这篇文章中，让我们更多地了解这个 API 及其对性能的影响。

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java.lang.ClassLoader\#loadClass() API被第三方库、JDBC 驱动程序、框架、应用服务器用于将 java 类加载到内存中。应用程序开发人员不经常使用此 API。然而，当他们使用诸如“java.lang.Class.forName()”或“org.springframework.util.ClassUtils.forName()”之类的API时，他们在内部调用这个“java.lang.ClassLoader\#loadClass()”API .

在运行时在不同线程中频繁使用此 API 会降低应用程序的性能。有时它甚至可以使整个应用程序无响应。在这篇文章中，让我们更多地了解这个 API 及其对性能的影响。

### 'ClassLoader.loadClass()' API 的目的是什么？ ###

通常，如果我们想实例化一个新对象，我们会这样编写代码：

1. new io.ycrash.DummyObject();

但是，您可以使用 ClassLoader.loadClass() API 并实例化对象。以下是代码的外观：

1. ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    2. Class<?> myClass = classLoader.loadClass("io.ycrash.DummyObject");
    3. myClass.newInstance();

您可以注意到在第 2 行中调用了“classLoader.loadClass()”。此行会将“io.ycrash.DummyObject”类加载到内存中。在第 3 行中，“io.ycrash.DummyObject”类使用“newInstance()”API 进行实例化。

这种实例化对象的方式就像用手触摸鼻子，穿过脖子后面。你可能想知道为什么有人会这样做？仅当您在编写代码时知道类的名称时，才能使用“new”实例化对象。在某些情况下，您可能仅在运行时才知道类的名称。例如，如果您正在编写框架（如 Spring Framework、XML 解析器等），您将知道仅在运行时要实例化的类名。在编写代码时，您将不知道要实例化哪些类。在这种情况下，您最终将不得不使用“ClassLoader.loadClass()”API。

### 在哪里使用“ClassLoader.loadClass()”？ ###

'ClassLoader.loadClass()' 用于几个流行的 3rd 方库、JDBC 驱动程序、框架和应用程序服务器。本节重点介绍一些使用“ClassLoader.loadClass()”API 的流行框架。

### Apache Xalan ###

当您使用Apache Xalan框架序列化和反序列化 XML 时，将使用“ClassLoader.loadClass()”API。下面是使用 Apache Xalan 框架中的“ClassLoader.loadClass()”API 的线程的堆栈跟踪。

at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:404)
    - locked <0x6d497769> (a com.wm.app.b2b.server.ServerClassLoader)
    at com.wm.app.b2b.server.ServerClassLoader.loadClass(ServerClassLoader.java:1175)
    at com.wm.app.b2b.server.ServerClassLoader.loadClass(ServerClassLoader.java:1108)
    at org.apache.xml.serializer.ObjectFactory.findProviderClass(ObjectFactory.java:503)
    at org.apache.xml.serializer.SerializerFactory.getSerializer(SerializerFactory.java:129)
    at org.apache.xalan.transformer.TransformerIdentityImpl.createResultContentHandler(TransformerIdentityImpl.java:260)
    at org.apache.xalan.transformer.TransformerIdentityImpl.transform(TransformerIdentityImpl.java:330)
    at org.springframework.ws.client.core.WebServiceTemplate$4.extractData(WebServiceTemplate.java:441)
    :
    :

### 谷歌 GUICE 框架 ###

当您使用Google GUICE 框架时，将使用 'ClassLoader.loadClass()' API。下面是使用 Google GUICE 框架中的“ClassLoader.loadClass()”API 的线程的堆栈跟踪。

at java.lang.Object.wait(Native Method)
    -  waiting on hudson.remoting.RemoteInvocationHandler$RPCRequest@1e408f0
    at hudson.remoting.Request.call(Request.java:127)
    at hudson.remoting.RemoteInvocationHandler.invoke(RemoteInvocationHandler.java:160)
    at $Proxy5.fetch2(Unknown Source)
    at hudson.remoting.RemoteClassLoader.findClass(RemoteClassLoader.java:122)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:321)
    -  locked hudson.remoting.RemoteClassLoader@15c7850
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:266)
    at com.google.inject.internal.BindingProcessor.visit(BindingProcessor.java:69)
    at com.google.inject.internal.BindingProcessor.visit(BindingProcessor.java:43)
    at com.google.inject.internal.BindingImpl.acceptVisitor(BindingImpl.java:93)
    at com.google.inject.internal.AbstractProcessor.process(AbstractProcessor.java:56)
    at com.google.inject.internal.InjectorShell$Builder.build(InjectorShell.java:183)
    at com.google.inject.internal.InternalInjectorCreator.build(InternalInjectorCreator.java:104)
    -  locked com.google.inject.internal.InheritingState@1c915a5
    at com.google.inject.Guice.createInjector(Guice.java:94)
    at com.google.inject.Guice.createInjector(Guice.java:71)
    at com.google.inject.Guice.createInjector(Guice.java:61)
    :
    :

### Oracle JDBC 驱动程序 ###

如果您使用Oracle JDBC Driver，将使用“ClassLoader.loadClass()”API。下面是使用 Oracle JDBC 驱动程序中的“ClassLoader.loadClass()”API 的线程的堆栈跟踪。

at com.ibm.ws.classloader.CompoundClassLoader.loadClass(CompoundClassLoader.java:482)
    - waiting to lock <0xffffffff11a5f7d8> (a com.ibm.ws.classloader.CompoundClassLoader)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:247)
    at java.lang.Class.forName0(Native Method)
    at java.lang.Class.forName(Class.java:170)
    at oracle.jdbc.driver.PhysicalConnection.safelyGetClassForName(PhysicalConnection.java:4682)
    at oracle.jdbc.driver.PhysicalConnection.addClassMapEntry(PhysicalConnection.java:2750)
    at oracle.jdbc.driver.PhysicalConnection.addDefaultClassMapEntriesTo(PhysicalConnection.java:2739)
    at oracle.jdbc.driver.PhysicalConnection.initializeClassMap(PhysicalConnection.java:2443)
    at oracle.jdbc.driver.PhysicalConnection.ensureClassMapExists(PhysicalConnection.java:2436)
    :
    :

### AspectJ 库 ###

如果您使用AspectJ 库，将使用 'ClassLoader.loadClass()' API。下面是使用 AspectJ 框架中的“ClassLoader.loadClass()”API 的线程的堆栈跟踪。

:
    :
    at java.base@11.0.7/java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:522)
    at java.base@11.0.7/java.lang.Class.forName0(Native Method)
    at java.base@11.0.7/java.lang.Class.forName(Class.java:398)
    at app//org.aspectj.weaver.reflect.ReflectionBasedReferenceTypeDelegateFactory.createDelegate(ReflectionBasedReferenceTypeDelegateFactory.java:38)
    at app//org.aspectj.weaver.reflect.ReflectionWorld.resolveDelegate(ReflectionWorld.java:195)
    at app//org.aspectj.weaver.World.resolveToReferenceType(World.java:486)
    at app//org.aspectj.weaver.World.resolve(World.java:321)
     - locked java.lang.Object@1545fe7d
    at app//org.aspectj.weaver.World.resolve(World.java:231)
    at app//org.aspectj.weaver.World.resolve(World.java:436)
    at app//org.aspectj.weaver.internal.tools.PointcutExpressionImpl.couldMatchJoinPointsInType(PointcutExpressionImpl.java:83)
    at org.springframework.aop.aspectj.AspectJExpressionPointcut.matches(AspectJExpressionPointcut.java:275)
    at org.springframework.aop.support.AopUtils.canApply(AopUtils.java:225)
    :
    :

### 研究性能影响 ###

现在我假设您已经对 Java 类加载有足够的了解。现在是时候研究它对性能的影响了。为了方便我们的学习，我创建了这个简单的程序：

1. package io.ycrash.classloader;
    2. 
    3. public class MyApp extends Thread {
    4.    
    5.   @Override
    6.   public void run() {
    7.       
    8.       try {
    9.          
    10.          while (true) {
    11.             
    12.             ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    13.             Class<?> myClass = classLoader.loadClass("io.ycrash.DummyObject");
    14.             myClass.newInstance();
    15.          }      
    16.       } catch (Exception e) {
    17.          
    18.       }
    19.   }
    20.    
    21.   public static void main(String args[]) throws Exception {
    22.       
    23.       for (int counter = 0; counter < 10; ++counter) {
    24.          
    25.          new MyApp().start();
    26.       }
    27.   }
    28. }
    2. 
    3. public class MyApp extends Thread {
    4.    
    5.   @Override
    6.   public void run() {
    7.       
    8.       try {
    9.          
    10.          while (true) {
    11.             
    12.             ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    13.             Class<?> myClass = classLoader.loadClass("io.ycrash.DummyObject");
    14.             myClass.newInstance();
    15.          }      
    16.       } catch (Exception e) {
    17.          
    18.       }
    19.   }
    20.    
    21.   public static void main(String args[]) throws Exception {
    22.       
    23.       for (int counter = 0; counter < 10; ++counter) {
    24.          
    25.          new MyApp().start();
    26.       }
    27.   }
    28. }

如果你注意.ycrash.classloader; 2. 3. public class MyApp extends Thread \{ 4.  
5. @Override 6. public void run() \{ 7.  
8. try \{ 9.  
10. while (true) \{ 11.  
12. ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader(); 13. Class myClass = classLoader.loadClass("io.ycrash.DummyObject"); 14. myClass.newInstance(); 15. \} 16. \} catch (Exception e) \{ 17. 18. \} 19. \} 20. 21. public static void main(String args\[\]) throws Exception \{ 22. 23. for (int counter = 0; counter < 10; ++counter) \{ 24. 25. new MyApp().start(); 26. \} 27. \} 28. \}1. package io.ycrash.classloader; 2. 3. public class MyApp extends Thread \{ 4. 5. @Override 6. public void run() \{ 7. 8. try \{ 9. 10. while (true) \{ 11. 12. ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader(); 13. Class myClass = classLoader.loadClass("io.ycrash.DummyObject"); 14. myClass.newInstance(); 15. \}  
16. \} catch (Exception e) \{ 17.  
18. \} 19. \} 20.  
21. public static void main(String args\[\]) throws Exception \{ 22.  
23. for (int counter = 0; counter < 10; ++counter) \{ 24.  
25. new MyApp().start(); 26. \} 27. \} 28. \}

如果你注意到这个程序，我在 main() 方法中创建了 10 个线程。

每个线程都进入一个无限循环并在 run() 方法中实例化 'io.ycrash.DummyObject'，使用第 13 行中的 'classLoader.loadClass()' API。这意味着 'classLoader.loadClass()' 将所有这 10 个线程一次又一次地调用。

### ClassLoader.loadClass() — 阻塞线程 ###

我们执行了上面的程序。在程序执行时，我们运行了开源yCrash 脚本。该脚本从应用程序中捕获 360 度数据（线程转储、GC 日志、堆转储、netstat、VMstat、iostat、top、内核日志……）。我们使用fastThread（一种线程转储分析工具）分析了捕获的线程转储。此工具为该程序生成的线程转储分析报告可在此处找到。工具报告 10 个线程中有 9 个处于 BLOCKED 状态。如果线程处于 BLOCKED 状态，则表明它被卡在了资源上。当它处于 BLOCKED 状态时，它不会前进。它会妨碍应用程序的性能。您可能想知道——为什么上面的简单程序会使线程进入 BLOCKED 状态。

![f3150486632a3895f0be4f611ef363da.png][]

图：显示 9 个 BLOCKED 线程的传递图（由fastThread生成）

以上是线程转储分析报告的摘录。您可以看到 9 个线程（'Thread-0'、'Thread-1'、'Thread-2'、'Thread-3'、'Thread-4'、'Thread-5'、'Thread-7'、' Thread-8', 'Thread-9') 被 'Thread-6' 阻塞。下面是一个 BLOCKED 状态线程（即 Thread-9）的堆栈跟踪：

Thread-9
    Stack Trace is:
    java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:404)
    - waiting to lock <0x00000003db200ae0> (a java.lang.Object)
    at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:335)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
    at io.ycrash.classloader.MyApp.run(MyApp.java:13)
    Locked ownable synchronizers:
    - None

您会注意到 java.lang.ClassLoader.loadClass() 方法上的“Thread-9”被 BLOCKED。它正在等待获取“<0x00000003db200ae0>”上的锁。所有其他处于 BLOCKED 状态的其余 8 个线程也具有完全相同的堆栈跟踪。

下面是阻塞所有其他 9 个线程的 'Thread-6' 的堆栈跟踪：

Thread-6
     java.lang.Thread.State: RUNNABLE
     at java.lang.ClassLoader.findLoadedClass0(Native Method)
     at java.lang.ClassLoader.findLoadedClass(ClassLoader.java:1038)
     at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:406)
     - locked <0x00000003db200ae0> (a java.lang.Object)
     at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:335)
     at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
     at io.ycrash.classloader.MyApp.run(MyApp.java:13)
     Locked ownable synchronizers:
    - None

您可以注意到'Thread-6' 能够获得锁（即'<0x00000003db200ae0>'）并继续前进。但是，所有其他 9 个线程都在等待获取此锁。

### 为什么调用 ClassLoader.loadClass() 时线程会阻塞？ ###

要了解为什么线程在调用 'ClassLoader.loadClass()' 方法时会进入 BLOCKED 状态，我们将不得不查看它的源代码。下面是 ClassLoader.loadClass() 方法的源代码摘录。如果您想查看 java.lang.ClassLoader 的完整源代码，可以参考这里：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
            throws ClassNotFoundException
        {
            synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
                // First, check if the class has already been loaded
                Class<?> c = findLoadedClass(name);
                if (c == null) {
                    long t0 = System.nanoTime();
                    try {
                        if (parent != null) {
                            c = parent.loadClass(name, false);
                        } else {
                            c = findBootstrapClassOrNull(name);
                        }
                        :
                        :

在源代码突出显示的行中，您将看到“同步”代码块的用法。当一个代码块被同步时，只允许一个线程进入该块。在我们上面的示例中，有 10 个线程正在尝试同时访问“ClassLoader.loadClass()”。只允许一个线程进入同步代码块，剩下的 9 个线程将进入 BLOCKED 状态。

下面是“getClassLoadingLock()”方法的源代码，它返回一个对象并在该对象上发生同步。

protected Object getClassLoadingLock(String className) {
       Object lock = this;
       if (parallelLockMap != null) {
          Object newLock = new Object();
          lock = parallelLockMap.putIfAbsent(className, newLock);
          if (lock == null) {
     lock = newLock;
          }
       }
       return lock;
    }

您会注意到，“getClassLoadingLock()”方法每次都会为相同的类名返回相同的对象。即，如果类名是“io.ycrash.DummyObject”——它每次都会返回相同的对象。因此，所有 10 个线程都将返回同一个对象。在这一个对象上，将发生同步。它会将所有线程置于 BLOCKED 状态。

### 如何解决这个问题？ ###

之所以会出现此问题，是因为在每次循环迭代时都会再次加载“io.ycrash.DummyObject”类。这会导致线程进入 BLOCKED 状态。如果我们在应用程序启动期间只能加载一次类，则可以解决此问题。这可以通过如下所示修改代码来实现。

1. package io.ycrash.classloader;
    2. 
    3. public class MyApp extends Thread {
    4.   
    5.   private Class<?> myClass = initClass();
    6.   
    7.   private Class<?> initClass() {
    8.      
    9.      try {         
    10.         ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    11.         return classLoader.loadClass("io.ycrash.DummyObject");
    12.      } catch (Exception e) {         
    13.      }      
    14.      
    15.      return null;
    16.   }
    17.   
    18.   @Override
    19.   public void run() {
    20.      
    21.      while (true) {
    22.      
    23.         try {            
    24.            myClass.newInstance();
    25.         } catch (Exception e) {         
    26.         }
    27.      }
    28.   }
    29.   
    30.   public static void main(String args[]) throws Exception {
    31.      
    32.      for (int counter = 0; counter < 10; ++counter) {
    33.         
    34.         new MyApp().start();
    35.      }
    36.   }
    37. }

进行此代码更改解决了该问题。如果您现在看到 'myClass' 在第 5 行被初始化。与之前在每次循环迭代中初始化 myClass 的方法不同，现在 myClass 在实例化线程时仅初始化一次。由于代码中的这种转变，'ClassLoader.loadClass()' API 将不会被多次调用。因此它将阻止线程进入 BLOCKED 状态。

### 解决方案 ###

如果您的应用程序也遇到这个类加载性能问题，那么这里是解决它的潜在解决方案。

*  尝试查看是否可以在应用程序启动时而不是运行时调用“ClassLoader.loadClass()”API。
 *  如果您的应用程序在运行时一次又一次地加载同一个类，则尝试仅加载一次该类。在那之后，缓存该类并重新使用它，如上例所示。
 *  使用诸如fastThread、yCrash等故障排除工具来检测是哪个框架或第三方库或代码路径触发了问题。检查框架是否在其最新版本中提供了任何修复，如果有，请升级到最新版本。

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参考文章： https://medium.com/@RamLakshmanan/java-class-loading-performance-impact-44bf84fe4c2a

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[Link 1]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkzMDM3MjI3Nw==&mid=2247484467&idx=1&sn=a03c98cecf89bf808a36ea3a342c411a&chksm=c27a0be9f50d82ff7c33fc58d06ba1c3c40e4002f3ad2536cc6d23b0754cef741c0740ed1e5f#rd
[9]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkzMDM3MjI3Nw==&mid=2247484737&idx=1&sn=65ecbefa3f5bc306763142d86b0caae1&chksm=c27a0a9bf50d838dbdc37210590e27edd029d9f563c377829367fa5bcd1374c44ed01196d339#rd
[Link 2]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkzMDM3MjI3Nw==&mid=2247484703&idx=1&sn=b13abaffc02ff89c2c914ca3d1c289d6&chksm=c27a0ac5f50d83d368f7a7015b51c7eb4e463e8551c6c1dc7e4f0982cfb25f2407c9af8f6017#rd