从jdk源码深入剖析java类加载机制

java时光 · 发表于 2021-10-7 14:02:47

类加载过程团体分析

当我们用java下令运行某个类的main函数启动程序时，首先必要通过类加载器把主类加载到 JVM
public class Math {
 public static final int initData = 666;
 public static User user = new User();

 public int compute() { //一个方法对应一块栈帧内存区域
 int a = 1;
 int b = 2;
 int c = (a + b) * 10;
 return c;
 }

 public static void main(String[] args) {
 Math math = new Math();
 math.compute();
 }
}通过Java下令执行代码的大体流程如下：

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从上图我们可以看出发起调用的地方是操作系统底层帮我们实现的，引导类加载器也不是由java编写的。
在真正加载我们要运行的类之前要做许多预备工作，这其中许多地方都不是java语言所能处理的，因此不必做过多的探究。
那么类加载在加载类的过程中发生了哪些事情呢？大概可以分为以下七个阶段：

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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天生一个代表这个类的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
预备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值
分析：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，好比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

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PS:类被加载到方法区中后重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, 作为开发职员访问方法区中类界说的入口和切入点。那么类是在jvm启动时就全部加载了吗？
答案是否定的，事实上，主类在运行过程中如果使用到其它类，会渐渐加载这些类。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。请看下面例子
public class TestDynamicLoad {
 static {
 System.out.println("*************加载主启动类************");
 }

 public static void main(String[] args) {
 new A();
 System.out.println("*******加载测试********");
 B b = null;//B不会加载，除非这里执行new B();
 }
}

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

 public A() {
 System.out.println("*******初始化A类********");
 }
}

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

 public B() {
 System.out.println("*******初始化B类********");
 }
} 运行效果：
*************加载主启动类************
*******加载A类********
*******初始化A类********
*******加载测试********类加载器和双亲委派机制

上面的类加载过程重要是通过类加载器来实现的，Java里有如下几种类加载器：

Bootstrp loader Bootstrp加载器是用C++语言写的，它是在Java虚拟机启动后初始化的，它重要负责加载%JAVA_HOME%/jre/lib,-Xbootclasspath参数指定的路径以及%JAVA_HOME%/jre/classes中的类。

ExtClassLoader Bootstrp loader加载ExtClassLoader,并且将ExtClassLoader的父加载器设置为Bootstrp loader.ExtClassLoader是用Java写的，详细来说就是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader，ExtClassLoader重要加载%JAVA_HOME%/jre/lib/ext，此路径下的所有classes目录以及java.ext.dirs系统变量指定的路径中类库。
AppClassLoader Bootstrp loader加载完ExtClassLoader后，就会加载AppClassLoader,并且将AppClassLoader的父加载器指定为 ExtClassLoader。AppClassLoader也是用Java写成的，它的实现类是 sun.misc.Launcher$AppClassLoader，另外我们知道ClassLoader中有个getSystemClassLoader方法,此方法返回的正是AppclassLoader.AppClassLoader重要负责加载classpath所指定的位置的类大概是jar文档，它也是Java程序默认的类加载器。

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计划，包管一个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.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。
jdk源代码如下：
//Launcher的构造方法
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本身写的应用程序
this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
} catch (IOException var9) {
throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
}
Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);双亲委派机制
前面说了，java中有三个类加载器，问题就来了，碰到一个类必要加载时，它们之间是如何和谐工作的，即java是如何区分一个类该由哪个类加载器来完成呢。在这里java采用了委托模子机制，这个机制简单来讲，就是“类装载器有载入类的需求时，会先请示其Parent使用其搜索路径帮忙载入，如果Parent 找不到,那么才由本身依照本身的搜索路径搜索类”
下面举一个例子来阐明，为了更好的理解，先弄清楚几行代码：
Public class Test{

 Public static void main(String[] arg){

 ClassLoader c = Test.class.getClassLoader(); //获取Test类的类加载器

 System.out.println(c);

 ClassLoader c1 = c.getParent(); //获取c这个类加载器的父类加载器

 System.out.println(c1);

 ClassLoader c2 = c1.getParent();//获取c1这个类加载器的父类加载器

 System.out.println(c2);

}

}

效果：
……AppClassLoader……

……ExtClassLoader……

Null 可以看出Test是由AppClassLoader加载器加载的，AppClassLoader的Parent 加载器是 ExtClassLoader,但是ExtClassLoader的Parent为 null 是怎么回事呵，朋友们留意的话，前面有提到Bootstrap Loader是用C++语言写的，依java的观点来看，逻辑上并不存在Bootstrap Loader的类实体，所以在java程序代码里试图打印出其内容时，我们就会看到输出为null。

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，查抄一下指定名称的类是否已经加载过，如果加载过了，就不必要再加载，直接返回。

如果此类没有加载过，那么，再判定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);）.大概是调用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。

源代码如下：
ClassLoader.java
protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
 throws ClassNotFoundException
 {
 synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
 // 查抄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;
 }
 }
URLClassLoader.java
protected Class findClass(final String name)
 throws ClassNotFoundException
 {
 final Class result;
 try {
 result = AccessController.doPrivileged(
 new PrivilegedExceptionAction run() throws ClassNotFoundException {
 //匹配被加载类的路径和当前类加载器的加载路径，看能否匹配到
 String path = name.replace('.', '/').concat(".class");
 Resource res = ucp.getResource(path, false);
 if (res != null) {
 try {
 //如果能匹配到，就举行真正的类加载，
 //就会执行前面说的类加载的几个阶段
 return defineClass(name, res);
 } catch (IOException e) {
 throw new ClassNotFoundException(name, e);
 }
 } else {
 return null;
 }
 }
 }, acc);
 } catch (java.security.PrivilegedActionException pae) {
 throw (ClassNotFoundException) pae.getException();
 }
 if (result == null) {
 throw new ClassNotFoundException(name);
 }
 return result;
 }分析源代码可知：双亲委派功能是在ClassLoader类的loadClass中方法实现的（所以想要打破双亲委派机制，重写loadClass方法即可），真正的类加载是在URLClassLoader的findClass方法实现的。
那么为什么要计划双亲委派机制？
重要有以下2点原因：

沙箱安全机制：本身写的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，就没有须要子ClassLoader再加载一次，包管被加载类的唯一性

Tomcat打破双亲委派机制

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：

一个web容器大概必要部署两个应用程序，不同的应用程序大概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，因此要包管每个应用程序的类库都是独立的，包管相互隔离。

部署在同一个web容器中雷同的类库雷同的版本可以共享。否则，如果服务器有10个应用程序，那么要有10份雷同的类库加载进虚拟机。

web容器也有本身依赖的类库，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。

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已经是屡见不鲜的事情， web容器必要支持 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雷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，因为他的职责就是包管唯一性。
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自界说加载器详解

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tomcat的几个重要类加载器：

commonLoader：Tomcat最根本的类加载器，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，好比加载war包里相关的类，每个war包应用都有本身的WebappClassLoader，实现相互隔离，好比不同war包应用引入了不同的spring版本，这样实现就能加载各自的spring版本；

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本身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，并通过再创建一个新的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 推荐的双亲委派模子了吗？答案是：违背了。
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加载本身的目录下的class文件，不会通报给父类加载器，打破了双亲委派机制。

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关于类加载机制就分析到这里了，原创不易，以为写得不错的话就点点赞关注关注呗，我的微信公众号：java时光

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