JVM-白话聊一聊JVM类加载和双亲委派机制源码解析

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Java 执行代码的大致流程

我们先回顾下Java 执行代码的大致流程

假设要执行A类的main方法

1. 启动虚拟机 （C++负责创建） 【windows ： bin/java.exe调用 jvm.dll Linux ： java 调用 libjvm.so 】
2. 创建一个引导类加载器实例 （C++实现）
3. C++ 调用Java代码，创建JVM启动器，实例sun.misc.Launcher 【这货由引导加载器负责加载创建其他类加载器】
   

4. sun.misc.Launcher.getLauncher() 获取运行类自己的加载器ClassLoader --> 是AppClassLoader ， 通过上图源码可知

5. 获取到ClassLoader后调用loadClass(“A”)方法加载运行的类A

6. 加载完成执行A类的main方法

7. 程序运行结束

8. JVM销毁

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类加载loadClass的步骤

其中最核心的方法 loadClass ,其实现我们常说的双亲委派机制 ，我们后面展开。

我们先白话一下类加载的几个步骤

加载 ----> 验证 ----> 准备 ----> 解析 ----> 初始化 ----> 使用 ----> 卸载

谈及比较多的是前五个 ，我们来捋一捋哈 ，不要尝试死记硬背，尝试去理解它的逻辑

1. 加载： 我们说jvm执行的java字节码，编译后在磁盘上，总得读取这个字节码文件吧 ，通过啥读 IO呗 ， 所以第一步肯定是加载字节码文件
2. 验证 ： JVM总不能说读到啥就直接运行了吧，你外面有个A.class 里面是一堆JVM规范不认识的内容，也执行不了啊 。 符合JVM规范才能执行后续的步骤，所以第二步是 校验字节码文件的正确性
3. 准备 ： 给类的静态变量分配内存，并赋予默认值。 我们的类里，可能会包含一些静态变量吧 。 比如 public static final int a = 12; 得给a分配个默认值 0 ，再比如 public static User user = new User(); 给 static的变量 User分配内存，并赋默认值null （final修饰的常量，直接赋值）
4. 解析 ： 这个地方不是很好理解， 解析是什么意思呢？将符号引用替换为直接引用。 符号引用 ？ 直接引用？ what ? ------------- 我们的类的静态方法 比如main方法 其实在Java中有个叫法 都是叫符号 。 这个阶段就会吧 一些静态方法（符号引用，比如刚才说的main方法）替换为指向数据所存内存的指针或者句柄等（直接引用）【找到具体在内存中的位置】。 这个就是静态链接过程（在类加载期间完成）。 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 （比如某个普通方法的调用）
5. 初始化： 上面的步骤完事儿以后，这一步主要是对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块。 比如刚才第二步的 public static final int a = 12; ，第二步给static变量赋了默认值，这一步就该把12赋值给它了。 还有 static的 User public static User user = new User(); 实例化User

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类加载器和双亲委派机制

刚才说了类加载器中loadClass方法实现了双亲委派的机制，那我们需要先了解下有哪几种类加载器

主要有4种

1. 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
2. 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
3. 应用程序类加载器：负责加载ClassPath路径下的类包，主要就是加载我们应用中自己写的那些类
4. 自定义加载器：负责加载用户自定义路径下的类包

我们来看看 几种不同的类加载器

public class ClassLoadTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 核心rt.jar中的类加载器 是C++加载的，因此这里为null 
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        // 扩展包的加载器 ExtClassLoader
        System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader());
        // 应用加载器 AppClassLoader
        System.out.println(ClassLoadTest.class.getClassLoader());


        System.out.println("");

        // 获取系统ClassLoader
        ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        // appClassLoader的父加载器
        ClassLoader extClassLoader = appClassLoader.getParent();
        // extClassLoader的父加载器
        ClassLoader boostrapClassLoader = extClassLoader.getParent();

        System.out.println("the bootstrapLoader : " + boostrapClassLoader);
        System.out.println("the extClassloader : " + extClassLoader);
        System.out.println("the appClassLoader : "+ appClassLoader);


        System.out.println("");

        System.out.println("==============bootstrapLoader加载的文件====================");

        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加载的文件====================");
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));

        System.out.println("");


        System.out.println("==============appClassLoader 加载的文件====================");
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
    }
}

输出

null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@29453f44
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

the bootstrapLoader : null
the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@29453f44
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

==============bootstrapLoader加载的文件====================
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/resources.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/rt.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/jsse.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/jce.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/charsets.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/jfr.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/classes

==============extClassloader加载的文件====================
E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext;C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext

==============appClassLoader 加载的文件====================
E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\charsets.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\deploy.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\cldrdata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\dnsns.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\jaccess.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\jfxrt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\localedata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\nashorn.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\sunec.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\zipfs.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\javaws.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\jce.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\jfr.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\jfxswt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\jsse.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\management-agent.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\plugin.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\resources.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\rt.jar;D:\IdeaProjects\GOF23\target\classes;C:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2019.3.1\lib\idea_rt.jar

看看appClassLoader 咋加载这么多？ 其实它并没有加载这么多，除了 D:\IdeaProjects\GOF23\target\classes; 是它加载的，剩下的都是他的父加载器给他干的。

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sun.misc.Launcher源码解析

JVM启动时，C++会实例化JVM启动器实例sun.misc.Launcher ，所以很有必要研究一下Launcher的源码 。

Launcher实例化

 private static Launcher launcher = new Launcher();

采用了 饿汉模式 静态域的方式 实现了单例模式 ，保证一个JVM虚拟机内只有一个sun.misc.Launcher实例。

Launcher 构造函数

实例化，调用构造函数，我们看下它的构造函数干了啥？

  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自己写的应用程序
            this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
        } catch (IOException var9) {
            throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
        }

        Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
          .....
         .....
         .....
        }

    }

Launcher构造方法内部， 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。

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双亲委派机制 源码解析

双亲委派过程

通俗的说： 当我们需要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。

举个例子，我们有个类A.class ,最先会找应用程序类加载器AppClassLoader 加载，AppClassLoader 会先委托扩展类加载器ExtClassLoader加载，扩展类加载器再委托引导类加载器BootClassLoader，顶层引导类加载器BootClassLoader在自己的类加载路径里 没找到A类，则向下退回加载A类的请求，扩展类加载器ExtClassLoader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A类，又向下退回A类的加载请求给应用程序类加载器AppClassLoader ，应用程序类加载器 在自己的类加载路径里找A类，结果找到了就自己加载了。。

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源码解析 ClassLoader#loadClass

loadClass实现了双亲委派的功能，我们有必要好好的研究一下

既然都是委托向上查找，那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

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            
           //   检查当前类加载器是否已经加载了该类 ,加载直接返回
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                
                    //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
                    if (parent != null) {
                        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) {
                     
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    
                    //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;
        }
    }

看注释~

总结一下几个步骤

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 【调用URLClassLoader的findClass方法在加载器的类路径里查找并加载该类】来完成类加载。

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双亲委派机制的优点

1. 沙箱安全机制：比如我们自己写的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
2. 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

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全盘负责委托机制

这个比较好理解

“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。

比如我们的类 A中引用了 类B，由于全盘负责委托机制 ，类B也将有加载类A的加载器来加载，除非你显示的使用另外一个ClassLoder。

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