JVM-类加载机制的深度解析

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注:本篇主要是讲加载过程,验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 这个过程需要针对字节码文件+OpenJdk的源码进行梳理,时间原因,再加上我自己对C语言理解的也不够深,看OpenJdk源码实在太累,我们后面再补上。

1、类加载过程

多个java文件经过编译打包生成可运行jar包,最终由java命令运行某个主类的main函数启动程序,这里首先需要通过类加载器把主类加载到JVM。 主类在运行过程中如果使用到其它类,会逐步加载这些类。 注意:jar包里的类不是一次性全部加载的,是使用到时才加载。

类加载到使用整个过程有如下几步: 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,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
  • 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

image.png

2、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

  • 启动类加载器: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: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: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d
  • 自定义加载器:负责加载用户自定义路径下的类包

看一个类加载器示例:

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println(MyClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader().getClass().getName());
    }
}
复制代码

运行结果:

null    //启动类加载器是C++语言实现,没有java实体,所以打印不出来
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader
复制代码

自定义一个类加载器示例:

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),实现了双亲委派机制,大体逻辑如下:

  1. 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。
  2. 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),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。
  3. 还有一个方法是findClass,默认实现是抛出异常,所以我们自定义类加载器主要是重写findClass方法。
/**
 *
 * 自定义类加载器
 */
public class MyClassLoader extends ClassLoader{

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader();
        String path = "D:/test/com/jvm/Test";   //我把编译的class文件放在D:/test/com/jvm/下
        Class<?> loadClass = myClassLoader.loadClass(path);
        System.err.println(loadClass.getClassLoader().getClass().getName());
        Method method = loadClass.getMethod("hello", null);
        method.invoke(loadClass.newInstance());
    }


    /**
     * 打破双亲委派(向下委派 or 不向上委派)
     * @param name
     * @param resolve
     * @return
     * @throws ClassNotFoundException
     */
    @Override
    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) {
                try {
                    if (name.contains("D:/")){
                        c = findClass(name);
                    }else {
                        c = super.loadClass(name, resolve);
                        if (c == null) {
                            c = findClass(name);
                        }
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

    /**
     * 找class文件,以字节码的形式加载到JVM内存中
     * @param name
     * @return
     */
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) {
        String path = name.replaceAll("\\.", "/")+".class";
        try {
            FileInputStream inputStream = new FileInputStream(path);
            int available = inputStream.available();
            byte[] bytes = new byte[available];
            inputStream.read(bytes);
            return defineClass(bytes, 0, bytes.length);
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

}

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运行结果:

com.java.MyClassLoader 
hello
复制代码

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。

双亲委派机制

JVM类加载器是有亲子层级结构的,如下图:

image.png

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。 比如我们的Math类,最先会找应用程序类加载器加载,应用程序类加载器会先委托扩展类加载器加载,扩展类加载器再委托启动类加载器,顶层启动类加载器在自己的类加载路径里找了半天没找到Math类,则向下退回加载Math类的请求,扩展类加载器收到回复就自己加载,在自己的类加载路径里找了半天也没找到Math类,又向下退回Math类的加载请求给应用程序类加载器,应用程序类加载器于是在自己的类加载路径里找Math类,结果找到了就自己加载了。。

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

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

看一个类加载示例:

package java.lang;

public class String {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("**************My String Class**************");
    }
}
复制代码

运行结果:

错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
   public static void main(String[] args)
否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application
复制代码

再来一个沙箱安全机制示例,尝试打破双亲委派机制,用自定义类加载器加载我们自己实现的 java.lang.String.class。如下:

public class MyClassLoaderTest {
    static 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
         * @param resolve
         * @return
         * @throws ClassNotFoundException
         */
        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) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);

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

    public static void main(String args[]) throws Exception {
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
        //尝试用自己改写类加载机制去加载自己写的java.lang.String.class
        Class clazz = classLoader.loadClass("java.lang.String");
        Object obj = clazz.newInstance();
        Method method= clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
        method.invoke(obj, null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}
复制代码

运行结果:

java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
	at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:659)
	at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:758)
复制代码

3.打破双亲委派

以Tomcat类加载为例,Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行? 我们思考一下:Tomcat是个web容器, 那么它要解决什么问题:

  1. 一个web容器可能需要部署两个应用程序,不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类库的不同版本,不能要求同一个类库在同一个服务器只有一份,因此要保证每个应用程序的类库都是独立的,保证相互隔离。
  2. 部署在同一个web容器中相同的类库相同的版本可以共享。否则,如果服务器有10个应用程序,那么要有10份相同的类库加载进虚拟机。
  3. web容器也有自己依赖的类库,不能与应用程序的类库混淆。基于安全考虑,应该让容器的类库和程序的类库隔离开来。
  4. web容器要支持jsp的修改,我们知道,jsp 文件最终也是要编译成class文件才能在虚拟机中运行,但程序运行后修改jsp已经是司空见惯的事情, web容器需要支持 jsp 修改后不用重启。

再看看我们的问题:Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行?

答案是不行的。为什么?

  • 第一个问题,如果使用默认的类加载器机制,那么是无法加载两个相同类库的不同版本的,默认的类加器是不管你是什么版本的,只在乎你的全限定类名,并且只有一份。第二个问题,默认的类加载器是能够实现的,因为他的职责就是保证唯一性。
  • 第三个问题和第一个问题一样。
  • 我们再看第四个问题,我们想我们要怎么实现jsp文件的热加载,jsp 文件其实也就是class文件,那么如果修改了,但类名还是一样,类加载器会直接取方法区中已经存在的,修改后的jsp是不会重新加载的。那么怎么办呢?我们可以直接卸载掉这jsp文件的类加载器,所以你应该想到了,每个jsp文件对应一个唯一的类加载器,当一个jsp文件修改了,就直接卸载这个jsp类加载器。重新创建类加载器,重新加载jsp文件。

Tomcat自定义加载器详解

image.png

Tmcat的几个主要类加载器:

  1. commonLoader:Tomcat最基本的类加载器,加载路径中的class可以被Tomcat容器本身以及各个Webapp访问;
  2. catalinaLoader:Tomcat容器私有的类加载器,加载路径中的class对于Webapp不可见;
  3. sharedLoader:各个Webapp共享的类加载器,加载路径中的class对于所有Webapp可见,但是对于Tomcat容器不可见;
  4. WebappClassLoader:各个Webapp私有的类加载器,加载路径中的class只对当前Webapp可见;

从图中的委派关系中可以看出:

  1. CommonClassLoader能加载的类都可以被CatalinaClassLoader和SharedClassLoader使用,从而实现了公有类库的共用,而CatalinaClassLoader和SharedClassLoader自己能加载的类则与对方相互隔离。
  2. WebAppClassLoader可以使用SharedClassLoader加载到的类,但各个WebAppClassLoader实例之间相互隔离。
  3. 而JasperLoader的加载范围仅仅是这个JSP文件所编译出来的那一个.Class文件,它出现的目的就是为了被丢弃:当Web容器检测到JSP文件被修改时,会替换掉目前的JasperLoader的实例,并通过再建立一个新的Jsp类加载器来实现JSP文件的热加载功能。

Tomcat 这种类加载机制违背了java 推荐的双亲委派模型了吗

答案是:违背了。

我们前面说过,双亲委派机制要求除了顶层的启动类加载器之外,其余的类加载器都应当由自己的父类加载器加载。 很显然,Tomcat 不是这样实现,Tomcat 为了实现隔离性,没有遵守这个约定,每个webappClassLoader加载自己的目录下的class文件,不会传递给父类加载器,打破了双亲委派机制。

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