Java类加载机制与类加载过程
文章目录
- Java类加载机制与类加载过程
- 一、为什么说Java语言是跨平台的？
- 二、Java虚拟机启动、加载类过程分析
- Step 1.根据JVM内存配置要求，为JVM申请特定大小的内存空间
- Step 2. 创建一个引导类加载器实例，初步加载系统类到内存方法区区域中
- Step 3. 创建JVM 启动器实例 Launcher,并取得类加载器ClassLoader
- Step 4. 使用类加载器ClassLoader加载ReflectDemo01类
- Step 5. 使用Main类的main方法作为程序入口运行程序
- Step 6. 方法执行完毕，JVM销毁，释放内存
- 三、类加载器有哪些？其组织结构是怎样的？
- 四、双亲加载模型的逻辑和底层代码实现是怎样的？
- 五、类加载器与Class 实例的关系
Java类加载机制与类加载过程
一、为什么说Java语言是跨平台的？
Java语言之所以说它是跨平台的、可以在当前绝大部分的操作系统平台下运行，是因为Java语言的运行环境是在Java虚拟机中。
Java虚拟机消除了各个平台之间的差异，只要操作系统平台下安装了Java虚拟机，那么使用Java开发的东西都能在其上面运行。如下图所示：
Java虚拟机对各个平台而言，实质上是各个平台上的一个可执行程序exe。例如在windows平台下，java虚拟机对于windows而言，就是一个java.exe进程而已。
二、Java虚拟机启动、加载类过程分析
类加载（也可称为初始化）分为：
- 加载
- 连接
- 初始化
下面我将定义一个非常简单的java程序并运行它，来逐步分析java虚拟机启动的过程。
package org.luanlouis.jvm.load;
import sun.security.pkcs11.P11Util;
public class Main{
public static void main(String[] args) {
System.out.println(“Hello,World!”);
ClassLoader loader = P11Util.class.getClassLoader();
System.out.println(loader);
}
}
在windows命令行下输入：
java com.sxt.reflectdemo01.ReflectDemo01
当输入上述的命令时：
windows开始运行{JAVA_HOME}/bin/java.exe程序，java.exe 程序将完成以下步骤：
- 根据JVM内存配置要求，为JVM申请特定大小的内存空间；(准备阶段之 内存分配)
- 创建一个引导类加载器实例，初步加载系统类到内存方法区区域中；
- 创建JVM 启动器实例 Launcher,并取得类加载器ClassLoader；
- 使用上述获取的ClassLoader实例加载我们定义的 org.luanlouis.jvm.load.Main类；
- 加载完成时候JVM会执行Main类的main方法入口，执行Main类的main方法；
- 结束，java程序运行结束，JVM销毁。
Step 1.根据JVM内存配置要求，为JVM申请特定大小的内存空间
JVM启动时，按功能划分，其内存应该由以下几部分组成：
如上图所示，JVM内存按照功能上的划分，可以粗略地划分为方法区(Method Area) 和堆(Heap),而所有的类的定义信息都会被加载到方法区中。
Step 2. 创建一个引导类加载器实例，初步加载系统类到内存方法区区域中
JVM申请好内存空间后，JVM会创建一个引导类加载器（Bootstrap Classloader）实例，引导类加载器是使用C++语言实现的，负责加载JVM虚拟机运行时所需的基本系统级别的类，如java.lang.String, java.lang.Object等等。
引导类加载器(Bootstrap Classloader)会读取 {JRE_HOME}/lib 下的jar包和配置，然后将这些系统类加载到方法区内。
本例中，引导类加载器是用 {JDK_HOME}/jre/lib加载类的
一般而言，{JDK_HOME}/jre/lib下存放着JVM正常工作所需要的系统类，如下表所示：
引导类加载器(Bootstrap ClassLoader） 加载系统类后，JVM内存会呈现如下格局：
引导类加载器加载类的过程：
引导类加载器将类信息加载到方法区中，以特定方式组织，对于某一个特定的类而言，在方法区中它应该有 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,由于这些类是由引导类加载器(Bootstrap Classloader)进行加载的，而 引导类加载器是有C++语言实现的，所以是无法访问的，故而该引用为NULL
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。
当我们在代码中尝试获取系统类如java.lang.Object的类加载器时，你会始终得到NULL：
System.out.println(String.class.getClassLoader());//null
System.out.println(Object.class.getClassLoader());//null
System.out.println(Math.class.getClassLoader());//null
System.out.println(System.class.getClassLoader());//null
Step 3. 创建JVM 启动器实例 Launcher,并取得类加载器ClassLoader
上述步骤完成，JVM基本运行环境就准备就绪了。接着，我们要让JVM工作起来了：运行我们定义的程序 com.sxt.reflectdemo01.Main。
此时，JVM虚拟机调用已经加载在方法区类sun.misc.Launcher 的静态方法getLauncher(), 获取sun.misc.Launcher 实例：
sun.misc.Launcher launcher = sun.misc.Launcher.getLauncher(); //获取Java启动器
ClassLoader classLoader = launcher.getClassLoader(); //获取类加载器ClassLoader用来加载class到内存来
sun.misc.Launcher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的内部，其定义了两个类加载器(ClassLoader),分别是sun.misc.Launcher.ExtClassLoader和sun.misc.Launcher.AppClassLoader，这两个类加载器分别被称为拓展类加载器(Extension ClassLoader) 和 应用类加载器(Application ClassLoader).如下图所示：
图例注释：除了引导类加载器(Bootstrap Class Loader )的所有类加载器，都有一个能力，就是判断某一个类是否被引导类加载器加载过，如果加载过，可以直接返回对应的Class instance，如果没有，则返回null. 图上的指向引导类加载器的虚线表示类加载器的这个有限的访问 引导类加载器的功能。
此时的 launcher.getClassLoader() 方法将会返回 AppClassLoader 实例，AppClassLoader将ExtClassLoader作为自己的父加载器。
当AppClassLoader加载类时，会首先尝试让父加载器ExtClassLoader进行加载，如果父加载器ExtClassLoader加载成功，则AppClassLoader直接返回父加载器ExtClassLoader加载的结果；如果父加载器ExtClassLoader加载失败，AppClassLoader则会判断该类是否是引导的系统类(即是否是通过Bootstrap类加载器加载，这会调用Native方法进行查找)；若要加载的类不是系统引导类，那么ClassLoader将会尝试自己加载，加载失败将会抛出“ClassNotFoundException”。
具体AppClassLoader的工作流程如下所示：
双亲委派模型(parent-delegation model)：
上面讨论的应用类加载器AppClassLoader的加载类的模式就是我们常说的双亲委派模型(parent-delegation model).
对于某个特定的类加载器而言，应该为其指定一个父类加载器，当用其进行加载类的时候：
- 委托父类加载器帮忙加载；
- 父类加载器加载不了，则查询引导类加载器有没有加载过该类；
- 如果引导类加载器没有加载过该类，则当前的类加载器应该自己加载该类；
- 若加载成功，返回 对应的Class 对象；若失败，抛出异常“ClassNotFoundException”。
请注意：
双亲委派模型中的"双亲"并不是指它有两个父类加载器的意思，一个类加载器只应该有一个父加载器。上面的步骤中，有两个角色： - 父类加载器(parent classloader)：它可以替子加载器尝试加载类
- 引导类加载器（bootstrap classloader）: 子类加载器只能判断某个类是否被引导类加载器加载过，而不能委托它加载某个类；换句话说，就是子类加载器不能接触到引导类加载器，引导类加载器对其他类加载器而言是透明的。
一般情况下，双亲加载模型如下所示：
Step 4. 使用类加载器ClassLoader加载ReflectDemo01类
通过 launcher.getClassLoader()方法返回AppClassLoader实例，接着就是AppClassLoader加载 com.sxt.reflectdemo01.Main类的时候了。
ClassLoader classloader = launcher.getClassLoader();//取得AppClassLoader类
classLoader.loadClass(“com.sxt.reflectdemo01.ReflectDemo01”);//加载自定义类
上述定义的com.sxt.reflectdemo01.Main类被编译成com.sxt.reflectdemo01.Main.class二进制文件，这个class文件中有一个叫常量池(Constant Pool)的结构体来存储该class的常量信息。常量池中有CONSTANT_CLASS_INFO类型的常量，表示该class中声明了要用到那些类：
当AppClassLoader要加载 org.luanlouis.jvm.load.Main类时，会去查看该类的定义，发现它内部声明使用了其它的类： sun.security.pkcs11.P11Util、java.lang.Object、java.lang.System、java.io.PrintStream、java.lang.Class；org.luanlouis.jvm.load.Main类要想正常工作，首先要能够保证这些其内部声明的类加载成功。所以AppClassLoader要先将这些类加载到内存中。（注：为了理解方便，这里没有考虑懒加载的情况，事实上的JVM加载类过程比这复杂的多）
- 加载java.lang.Object、java.lang.System、java.io.PrintStream、java,lang.Class
AppClassLoader尝试加载这些类的时候，会先委托ExtClassLoader进行加载；而ExtClassLoader发现不是其加载范围，其返回null；AppClassLoader发现父类加载器ExtClassLoader无法加载，则会查询这些类是否已经被BootstrapClassLoader加载过，结果表明这些类已经被BootstrapClassLoader加载过，则无需重复加载，直接返回对应的Class实例； - 加载sun.security.pkcs11.P11Util
此在{JRE_HOME}/lib/ext/sunpkcs11.jar包内，属于ExtClassLoader负责加载的范畴。AppClassLoader尝试加载这些类的时候，会先委托ExtClassLoader进行加载；而ExtClassLoader发现其正好属于加载范围，故ExtClassLoader负责将其加载到内存中。ExtClassLoader在加载sun.security.pkcs11.P11Util时也分析这个类内都使用了哪些类，并将这些类先加载内存后，才开始加载sun.security.pkcs11.P11Util，加载成功后直接返回对应的Class实例； - 加载org.luanlouis.jvm.load.Main
AppClassLoader尝试加载这些类的时候，会先委托ExtClassLoader进行加载；而ExtClassLoader发现不是其加载范围，其返回null；AppClassLoader发现父类加载器ExtClassLoader无法加载，则会查询这些类是否已经被BootstrapClassLoader加载过。而结果表明BootstrapClassLoader 没有加载过它，这时候AppClassLoader只能自己动手负责将其加载到内存中，然后返回对应的Class实例引用；
以上三步骤都成功，才表示classLoader.loadClass(“org.luanlouis.jvm.load.Main”)完成，上述操作完成后，JVM内存方法区的格局会如下所示：
如上图所示：
JVM方法区的类信息区是按照类加载器进行划分的，每个类加载器会维护自己加载类信息；
某个类加载器在加载相应的类时，会相应地在JVM内存堆（Heap）中创建一个对应的Class，用来表示访问该类信息的入口
Step 5. 使用Main类的main方法作为程序入口运行程序
Step 6. 方法执行完毕，JVM销毁，释放内存
三、类加载器有哪些？其组织结构是怎样的？
类加载器(Class Loader)：顾名思义，指的是可以加载类的工具。JVM自身定义了三个类加载器：引导类加载器(Bootstrap Class Loader)、拓展类加载器(Extension Class Loader )、应用加载器(Application Class Loader)。当然，我们有时候也会自己定义一些类加载器来满足自身的需要。
引导类加载器(Bootstrap Class Loader): 该类加载器使JVM使用C/C++底层代码实现的加载器，用以加载JVM运行时所需要的系统类，这些系统类在{JRE_HOME}/lib目录下。由于类加载器是使用平台相关的底层C/C++语言实现的， 所以该加载器不能被Java代码访问到。但是，我们可以查询某个类是否被引导类加载器加载过。我们经常使用的系统类如：java.lang.String,java.lang.Object,java.lang*… 这些都被放在 {JRE_HOME}/lib/rt.jar包内， 当JVM系统启动的时候，引导类加载器会将其加载到 JVM内存的方法区中。
拓展类加载器(Extension Class Loader): 该加载器是用于加载 java 的拓展类 ，拓展类一般会放在 {JRE_HOME}/lib/ext/ 目录下，用来提供除了系统类之外的额外功能。拓展类加载器是是整个JVM加载器的Java代码可以访问到的类加载器的最顶端，即是超级父加载器，拓展类加载器是没有父类加载器的。
应用类加载器(Applocatoin Class Loader): 该类加载器是用于加载用户代码，是用户代码的入口。我经常执行指令 java xxx.x.xxx.x.x.XClass , 实际上，JVM就是使用的AppClassLoader加载 xxx.x.xxx.x.x.XClass 类的。应用类加载器将拓展类加载器当成自己的父类加载器，当其尝试加载类的时候，首先尝试让其父加载器-拓展类加载器加载；如果拓展类加载器加载成功，则直接返回加载结果Class instance,加载失败，则会询问是否引导类加载器已经加载了该类；只有没有加载的时候，应用类加载器才会尝试自己加载。由于xxx.x.xxx.x.x.XClass是整个用户代码的入口，在Java虚拟机规范中，称其为 初始类(Initial Class).
用户自定义类加载器（Customized Class Loader）：用户可以自己定义类加载器来加载类。所有的类加载器都要继承java.lang.ClassLoader类。
四、双亲加载模型的逻辑和底层代码实现是怎样的？
//提供class类的二进制名称表示，加载对应class，加载成功，则返回表示该类对应的Class instance 实例
public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
“com.xyr.reflectdemo01.ReflectDemo01” bin
return loadClass(name, false);
}
protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 首先，检查是否已经被当前的类加载器记载过了，如果已经被加载，直接返回对应的Class实例
Class c = findLoadedClass(name);
//初次加载
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
if (parent != null) {
//如果有父类加载器，则先让父类加载器加载
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
// 没有父加载器，则查看是否已经被引导类加载器加载，有则直接返回
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
}
// 父加载器加载失败，并且没有被引导类加载器加载，则尝试该类加载器自己尝试加载
if (c == null) {
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
long t1 = System.nanoTime();
// 自己尝试加载
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();
}
}
//是否解析类
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
这是JDK自身默认的加载类的行为，我们可以通过继承复写该方法，改变其行为。
五、类加载器与Class 实例的关系
