JVM-01-VIP-类加载机制深度剖析

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-09-05 12:54 109阅读 0赞

详见印象笔记

**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。（自己写的是用到时才加载。但是jdk底层的那些object类所在的jar包是直接全部加载的。）

**B b = null;B这个类是不会被加载的，因为这不算用到**，用到时指被New了，或者main方法等。

若要看具体哪些类被加载了，可如下：加启动参数-verbose:class

则如下图控制台会打印出类加载信息：

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**（从硬盘加载到内存）**
 *  验证：校验字节码文件的正确性**（校验加载进来的class文件是否符合class文件标准）**
 *  准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值**（静态变量赋默认值，不是初始值。比如static int m=8，此时并不是把m赋值成8，而是先赋成0.）**
 *  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（static加载new的时候替换）(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，下节课会讲到动态链接。（**静态链接和动态链接都是将符号引用替换为直接引用。**）（**是把class文件常量池里用到的符号引用转换为直接内存地址，直接可以访问到的内容。**）
 *  **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。（静态变量赋值两次。）（**静态变量这时候赋值为初始值。即上面的m赋值为8**）

**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**和**扩展类**加载器负责的是启动的时候一次性全部加载到虚拟机里。）

*  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（BootstrapClassLoader）
 *  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

看一个**类加载器**示例：

package my.mark.mybaibaoxiang.jvm;

/\*\*

\* @author twotiger-wxm.

\* @date 2020-4-22.

\*/

public class TestJDKClassLoader \{

public static void main(String\[\] args)\{

System.out.println(String.class.getClassLoader());//String核心类用的BootstrapClassLoader启动类加载器，是C++写的，没有Java源码。

System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());

System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());

System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader().getClass().getName());

**运行结果：**

null

sun.misc.Launcher$ExtClassLoader

sun.misc.Launcher$AppClassLoader

**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，

**1）、**一个是loadClass(String, boolean)，实现了**双亲委派机制**，大体逻辑

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);）.或者是调用bootstrap类加载器来加载。
3.  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。

**2）、**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**。

public class MyClassLoaderTest \{

static class MyClassLoader extends ClassLoader \{

private String classPath;//启动类和扩展类使用的该参数即“环境变量”！！！

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);

//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 \{

MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");

Class clazz = classLoader.loadClass("com.tuling.jvm.User1");//loadClass方法最终会调到findClass方法。

Object obj = clazz.newInstance();

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

上述代码反射调用User1类中的sout方法打出“=======自己的加载器加载类调用方法=======”这句话。

如果那个路径没有那个类，且父加载器加载的位置包括该main方法类所在的工程编译后目录下也没有那个类的时候报错如下：

**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

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\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*");

**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

**因为没有加载自己写的这个String类，而是由父加载器加载了jdk自带的String类，自带的String里没有main方法。**

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

package my.mark.mybaibaoxiang.jvm;

import java.io.FileInputStream;

import java.lang.reflect.Method;

/\*\*

\* 重写loadClass方法，打破双亲委派机制。

\* @author twotiger-wxm.

\* @date 2020-4-22.

\*/

public class MyClassLoaderTest1 \{

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());

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)

**打破双亲委派（****核心在于自定义类加载器重写了**loadClass**方法，重写后的该方法中没有遵从双亲委派机制。****）**

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**

tomcat的几个主要类加载器：

*  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；
 *  catalinaLoader：Tomcat容器私有的类加载器，加载路径中的class对于Webapp不可见；
 *  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；
 *  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：

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。

WebAppClassLoader可以使用SharedClassLoader加载到的类，但各个WebAppClassLoader实例之间相互隔离。

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**。

问：1、同样包名同样类名的打破双亲委派机制后怎么加载到JVM中？

答：**JVM判断同一个类，除了包名类名，还会判断是不是同一个类加载器加载的。同一个类加载器加载的JVM才认为是同一个。**