1、JVM类加载机制

烟雨 5年前 (2021-06-10) 阅读数 579 #JVM

文章标签 JVM

一、类加载运行大致全过程

当我们用java命令运行某个类的main函数启动程序时，首先需要通过类加载器把主类加载到JVM。

1.1、大体流程如下

其中右边classLoader.loadClass()方法，加载类的过程有如下几步：

加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载

加载：在硬盘上查找并通过IO读入字节码文件(.class文件)，使用到类时才会加载，例如调用类的main()方法，new对象等等，在加载阶段会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。
验证：校验字节码文件的正确性。
准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值。
解析：将符号引用替换为直接引用，该阶段会把一些静态方法(符号引用，比如main()方法替换为指向数据所存内存的指针或句柄等(直接引用)，这是所谓的静态链接过程(类加载期间完成)，动态链接是在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用的。
初始化：对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块。

注意：主类在运行过程中如果使用到其它类，会逐步加载这些类。jar包或war包里的类不是一次性全部加载的，是使用到时才加载。

public class TestDynamicLoad {
    static {
        System.out.println("*************static load TestDynamicLoad************");
    }

    public static void main(String[] args) {
        new A();
        System.out.println("*************main************");
        B b = new B();
    }
}

class A {
    static {
        System.out.println("*************static load A************");
    }

    public A() {
        System.out.println("*************Construator A************");
    }
}

class B {
    static {
        System.out.println("*************static load B************");
    }

    public B() {
        System.out.println("*************Construator B************");
    }
}

二、类加载器和双亲委派机制

上面的类加载过程主要是通过类加载器来实现的，Java里有如下几种类加载器

引导类加载器( bootstrapLoader )：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的核心类库，比如rt.jar、charsets.jar等。
扩展类加载器(sun.misc.Launcher$ExtClassLoader)：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR类包。
应用程序类加载器(sun.misc.Launcher$$AppClassLoader)：负责加载ClassPath路径下的类包，主要就是加载你自己写的那些类。
自定义加载器：负责加载用户自定义路径下的类包。

2.1、类加载器示例

public static void main(String[] args) {
    //String是JVM核心API库,由bootstrapLoader(C/C++代码实现)加载的，无法在Java环境拿到，所以为null
    System.out.println(String.class.getClassLoader());
    //ExtClassLoader负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR类包
    System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader());
    //AppClassLoader负责加载ClassPath路径下的类包，主要就是加载你自己写的那些类
    System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader());

    System.out.println();

    ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
    ClassLoader extClassloader = appClassLoader.getParent();
    ClassLoader bootstrapLoader = extClassloader.getParent();
    System.out.println("the bootstrapLoader : " + bootstrapLoader);
    System.out.println("the extClassloader : " + extClassloader);
    System.out.println("the appClassLoader : " + appClassLoader);

    System.out.println();

    System.out.println("bootstrapLoader加载以下文件列表：");
    URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
    for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
        System.out.println(urls[i]);
    }

    System.out.println();
    System.out.println("extClassloader加载以下文件列表：");
    System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));

    System.out.println();
    System.out.println("appClassLoader加载以下文件列表：");
    System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
}

2.2、类加载器初始化过程

参见类运行加载全过程图可知其中会创建JVM启动器实例sun.misc.Launcher。

sun.misc.Launcher初始化使用了单例模式设计，保证一个JVM虚拟机内只有一个sun.misc.Launcher实例。

public class Launcher {
    private static URLStreamHandlerFactory factory = new Launcher.Factory();
    private static Launcher launcher = new Launcher();
    private static String bootClassPath = System.getProperty("sun.boot.class.path");
    private ClassLoader loader;
    private static URLStreamHandler fileHandler;

    public static Launcher getLauncher() {
        return launcher;
    }

    public Launcher() {
        Launcher.ExtClassLoader var1;
        try {
            //构造扩展类加载器，在构造的过程中将其父加载器设置为null
            var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException var10) {
            throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
        }

        try {
            //构造应用类加载器，在构造的过程中将其父加载器设置为ExtClassLoader，
			//Launcher的loader属性值是AppClassLoader，我们一般都是用这个类加载器来加载我们自己写的应用程序
            this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
        } catch (IOException var9) {
            throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
        }

        Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
        String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
        if (var2 != null) {
            SecurityManager var3 = null;
            if (!"".equals(var2) && !"default".equals(var2)) {
                try {
                    var3 = (SecurityManager)this.loader.loadClass(var2).newInstance();
                } catch (IllegalAccessException var5) {
                } catch (InstantiationException var6) {
                } catch (ClassNotFoundException var7) {
                } catch (ClassCastException var8) {
                }
            } else {
                var3 = new SecurityManager();
            }

            if (var3 == null) {
                throw new InternalError("Could not create SecurityManager: " + var2);
            }

            System.setSecurityManager(var3);
        }

    }

    public ClassLoader getClassLoader() {
        return this.loader;
    }
}

在Launcher构造方法内部，其创建了两个类加载器，分别是sun.misc.Launcher.ExtClassLoader(扩展类加载器)和sun.misc.Launcher.AppClassLoader(应用类加载器)。

JVM默认使用Launcher的getClassLoader()方法返回的类加载器AppClassLoader的实例加载我们的应用程序。

2.3、双亲委派机制

JVM类加载器是有亲子层级结构的，如下图

这里类加载其实就有一个双亲委派机制，加载某个类时会先委托父加载器寻找目标类，找不到再委托上层父加载器加载，如果所有父加载器在自己的加载类路径下都找不到目标类，则在自己的类加载路径中查找并载入目标类。

双亲委派机制说简单点就是，先找父亲加载，不行再由儿子自己加载。

我们来看下应用程序类加载器AppClassLoader加载类的双亲委派机制源码。

AppClassLoader的loadClass方法最终会调用其父类ClassLoader的loadClass方法，该方法的大体逻辑如下：

首先，检查一下指定名称的类是否已经加载过，如果加载过了，就不需要再加载，直接返回。
如果此类没有加载过，那么，再判断一下是否有父加载器；如果有父加载器，则由父加载器加载（即调用parent.loadClass(name, false);）.或者是调用bootstrap类加载器来加载。
如果父加载器及bootstrap类加载器都没有找到指定的类，那么调用当前类加载器的findClass方法来完成类加载。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            // 检查当前类加载器是否已经加载了该类
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                	//如果当前加载器父加载器不为空则委托父加载器加载该类
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                    	 //如果当前加载器父加载器为空则委托引导类加载器加载该类
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    //都会调用URLClassLoader的findClass方法在加载器的类路径里查找并加载该类
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

2.3、为什么要设计双亲委派机制？

沙箱安全机制：自己写的java.lang.String.class类不会被加载，这样便可以防止核心API库被随意篡改。
避免类的重复加载：当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次，保证被加载类的唯一性。

2.4、全盘负责委托机制

“全盘负责”是指当一个ClassLoder装载一个类时，除非显示的使用另外一个ClassLoder，该类所依赖及引用的类也由这个ClassLoder载入。

2.5、自定义类加载器

自定义类加载器只需要继承java.lang.ClassLoader类，该类有两个核心方法，一个是loadClass(String, boolean)，实现了双亲委派机制。

另一个一个方法是findClass，默认实现是空方法，所以我们自定义类加载器主要是重写findClass方法。

public class TestDemo {
    public void test(){
        System.out.println("MyClassLoader load TestDemo.class!");
    }
}

自定义类加载器

public class MyClassLoader extends ClassLoader{
    private String classPath;

    public MyClassLoader(String classPath) {
        this.classPath = classPath;
    }

    private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
        name = name.replaceAll("\\.", "/");
        FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name + ".class");
        int len = fis.available();
        byte[] data = new byte[len];
        fis.read(data);
        fis.close();
        return data;
    }

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            byte[] data = loadByte(name);
            return defineClass(name, data, 0, data.length);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            throw new ClassNotFoundException();
        }
    }

    /**
     * 重写类加载方法，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载
     * @param name  要加载的class的类名
     * @param resolve 默认为false
     * @return
     * @throws ClassNotFoundException
     */
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            //查找是否加载过这个class
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                //如果是我们自己写的类，用自定义的findClass来加载，否则用父类loadClass来加载
                if(name.equals("com.zender.TestDemo")){
                    c = findClass(name);
                } else {
                    c = this.getParent().loadClass(name);
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("E:/clazz");
        Class clazz = classLoader.loadClass("com.zender.TestDemo");

        Object obj = clazz.newInstance();
        //获取想调用的方法test，该方法没有参数
        Method method = clazz.getDeclaredMethod("test", null);
        method.invoke(obj, null);
        
        System.out.println(clazz.getClassLoader());
    }
}