JDK源码级别彻底剖析JVM类加载机制
1. 类加载运行全过程
当用执行java程序中的main函数时，需要通过类加载器把主类加载到JVM。
流程图：
其中loadClass的类加载过程有如下几步：
加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载 (销毁)
- 加载 ：在硬盘上查找并通过IO读取字节码文件，使用到类时才会加载，例如调用类的main()方法，new 对象等等，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。(磁盘中已经存在的字节码文件应为该类的在这次操作前，就有存储过，也就是说此次说明的加载并非为首次加载)
- 验证：校验字节码文件的正确性 (字节码文件由特定的字符串组成)
- 准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值(在加载过程中有 static修饰的变量 会赋予默认值 0 null false 等,有 final 修饰的变量会直接进行赋值 )
- 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(直接引用)，这是所谓的静态链接过程(类加载期间完成),动态链接是程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用。（符号引用：将各类、方法、对象 等用 类似 #22 代替。类中的方法 用#22.#45 符号引用； 直接引用：将这些符号替换成内存地址(哈希地址)）
- 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(将准备阶段中的静态变量、对象等进行初始化。及赋值)
类被加载到方法区中后主要包含运行时常量池、类型信息、字段信息、方法信息、类加载器的引用、对应class实例的引用等信息。
类加载器的引用：这个类到类加载器实例的引用
对应class实例的引用：类加载器在加载类信息放到方法区中后，会创建一个对应的Class类型的对象实例放到堆(Heap)中,作为开发人员访问方法区中类定义的入口和切入点。
**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("****************load TestDynamicLoad******************");
}
public static void main(String[] args) {
new A();
System.out.println("*************load test******************");
B b = null; //B不会加载，除非这里执行 new B()
}
}
class A {
static {
System.out.println("*************load A*****************");
}
public A(){
System.out.println("**************initial A***********************");
}
}
class B{
static {
System.out.println("*************load B*****************");
}
public B(){
System.out.println("**************initial B***********************");
}
}
运行结果
****************load TestDynamicLoad******************
*************load A*****************
**************initial A***********************
*************load test******************
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：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
- 自定义加载器：负责加载用户自定义路径下的类包
类加载器示例
public class TestJDKClassLoader {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(String.class.getClassLoader()); //null String类 为核心库lang包下的 需要引导类加载器加载。底层调用C+ 代码
System.out.println(DESKeyFactory.class.getClassLoader());
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: ");
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：");
System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
System.out.println();
System.out.println("appClassLoader加载以下文件：");
System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
}
}
运行结果 :
null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@610455d6
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
the bootstrapLoader :null
the extClassLoader :sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@610455d6
the appClassLoader :sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
bootstrapLoader加载以下文件:
file:/E:/Program%20Files%20(x86)/develop/jdk1.8.0_131/jre/lib/resources.jar
file:/E:/Program%20Files%20(x86)/develop/jdk1.8.0_131/jre/lib/rt.jar
file:/E:/Program%20Files%20(x86)/develop/jdk1.8.0_131/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/E:/Program%20Files%20(x86)/develop/jdk1.8.0_131/jre/lib/jsse.jar
file:/E:/Program%20Files%20(x86)/develop/jdk1.8.0_131/jre/lib/jce.jar
file:/E:/Program%20Files%20(x86)/develop/jdk1.8.0_131/jre/lib/charsets.jar
file:/E:/Program%20Files%20(x86)/develop/jdk1.8.0_131/jre/lib/jfr.jar
file:/E:/Program%20Files%20(x86)/develop/jdk1.8.0_131/jre/classes
extClassLoader加载以下文件：
E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
appClassLoader加载以下文件：
E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\charsets.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\deploy.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\cldrdata.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\dnsns.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\jaccess.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\jfxrt.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\localedata.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\nashorn.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\sunec.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\zipfs.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\javaws.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\jce.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\jfr.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\jfxswt.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\jsse.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\management-agent.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\plugin.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\resources.jar;E:\Program Files (x86)\develop\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar;D:\idea-workspace\test\small-spring;D:\idea-workspace\production\small-spring;D:\repository\repo\junit\junit\4.13.1\junit-4.13.1.jar;D:\repository\repo\org\hamcrest\hamcrest-core\1.3\hamcrest-core-1.3.jar;E:\Program Files (x86)\Idea\ideaIU-2021\lib\idea_rt.jar
Process finished with exit code 0
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。 在Launcher构造方法内部，其创建了两个类加载器，分别是sun.miscLauncher.ExtClassLoader(扩展类加载器)和sun.misc.Launcher.AppClassLoader(应用程序类加载器)。 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。
//Launcher 构造方法
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已写的应用程序
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);
}
}
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，如果所有父加载器再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。
如自写的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引导类加载器，顶层引导类加载器再自己的类加载路径里找了半天没有找到Math类，则向下退回加载Math类的请求，扩展类加载器重复操作后未找到Math类，继续向下退回应用程序类加载器，应用程序类加载器找到后。进行加载。
总结：双亲委派机制，先找父亲加载，不行再由儿子自己加载
在应用程序类加载器AppClassLoader加载类的双亲委派机制源码中，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，就需要再记载，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来完成类加载。
//ClassLoader的loadClass方法，里面实现了双亲委派机制
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 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 {
if (parent != null) {//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
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方法再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) {//不会执行
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
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，这样可以防止核心库被随意篡改
- 避免类的重复加载：当父亲已经加载了该类时，就没必要子ClassLoader再加载一次保证被加载类的唯一性
全盘负责委托机制 "全盘负责" 是指当一个ClassLoader装载一个类时，除非显示的使用另外一个ClassLoader，该类所引用的类也由这个ClassLoader载入。
自定义类加载器示例： 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,boolean)，实现了双亲委派机制，还有一个方法是findClass，默认实现是空方法，所以自定义类加载器主要是重写findClass方法。
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;
}
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
byte [] data = loadByte(name);
//defineClass将一个字节数组转为Class对象，这个字节数组是class文件读取后最终的字节数组。
return defineClass(name,data,0,data.length);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
throw new ClassNotFoundException();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
//初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，其中会把自定义类加载器的父加载器设置为应用程序类加载器AppClassLoader
MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
//D盘创建 test/com/JY/jvm 几级目录,将User类的复制类User1.class丢入该目录
Class clazz = classLoader.loadClass("com.JY.jvm.User1");
Object obj = clazz.newInstance();
//执行User1类中的sout 方法
Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout",null);
method.invoke(obj,null);
System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
}
}
运行结果：
=======自己的加载器加载类调用方法=======
com.tuling.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader
