彻底剖析JVM类加载机制(一)

文章标题

  • 一、类加载机制
    • 1、类加载运行全过程
      • 1.1、证明
      • 1.2、类加载器和双亲委派机制
      • 1.3、加载器初始化过程:
    • 2、双亲委派机制
      • 2.1、为什么要设计双亲委派机制?
      • 2.2、全盘负责委托机制
      • 2.3、自定义类加载器示例
      • 2.4、如何打破双亲委派机制呢

一、类加载机制

1、类加载运行全过程

当我们用java命令运行某个类的main函数启动程序时,首先需要通过类加载器把主类加载到JVM。

package com.zhz.jvm;

/**
 1. @author :zhz
 2. @date :Created in 2020/12/31
 3. @version: V1.0
 4. @slogan: 天下风云出我辈,一入代码岁月催
 5. @description:
 **/
public class TestMath {
     
    public static final int data=0;
    public static Person p=new Person();

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

    public static void main(String[] args) {
     
        TestMath math=new TestMath();
        math.compute();
    }
}

通过Java命令执行代码的大体流程如下:
彻底剖析JVM类加载机制(一)_第1张图片

类加载过程分为
加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载
1、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
2、验证
	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
4、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
5、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

彻底剖析JVM类加载机制(一)_第2张图片
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。

1.1、证明

package com.zhz.jvm;

/**
 * @author :zhz
 * @date :Created in 2020/12/31
 * @version: V1.0
 * @slogan: 天下风云出我辈,一入代码岁月催
 * @description: 验证部分加载
 **/
public class TestDynamicLoad {
     
    static {
     
        System.out.println("--------load TestDynamicLoad--------");
    }

    public static void main(String[] args) {
     
        new A1();
        System.out.println("--------------------load test--------------------");
        B1 b1 = null;///B不会加载,除非这里执行 new B()
    }
}

class A1 {
     
    static {
     
        System.out.println("*************load A************");
    }

    public A1() {
     
        System.out.println("*************initial A************");
    }
}
class B1{
     
        static {
     
        System.out.println("*************load B************");
    }

   public B1() {
     
        System.out.println("*************initial B************");
    }
}

运行结果:
彻底剖析JVM类加载机制(一)_第3张图片
结论: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

1.2、类加载器和双亲委派机制

Java里有如下几种类加载器
1、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、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
4、负责加载用户自定义路径下的类包
类加载器示例:

package com.zhz.jvm;

import com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory;
import sun.misc.Launcher;

import java.net.URL;

/**
 * @author :zhz
 * @date :Created in 2020/12/31
 * @version: V1.0
 * @slogan: 天下风云出我辈,一入代码岁月催
 * @description:
 **/
public class TestJDKClassLoader {
     
    public static <RL> void main(String[] args) {
     
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        System.out.println(DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());
        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:

"E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\bin\java.exe" -agentlib:jdwp=transport=dt_socket,address=127.0.0.1:52473,suspend=y,server=n -Dvisualvm.id=847811161252100 -javaagent:C:\Users\zhz\.IntelliJIdea2019.3\system\captureAgent\debugger-agent.jar -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath "E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\charsets.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\deploy.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\cldrdata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\dnsns.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\jaccess.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\jfxrt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\localedata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\nashorn.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunec.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\zipfs.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\javaws.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jce.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jfr.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jfxswt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jsse.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\management-agent.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\plugin.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\resources.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\rt.jar;E:\IdeaProjects\interview\out\production\interview;E:\myeclipse\BookShop\WebRoot\WEB-INF\lib\mysql-connector-java-5.1.30.jar;D:\developer_tools\IDEA\IntelliJ IDEA 2019.3.2\lib\idea_rt.jar" com.zhz.jvm.TestJDKClassLoader
Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:52473', transport: 'socket'
null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader

the bootstrapLoader : null
the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@2c8d66b2
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

bootstrapLoader加载以下文件:
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/resources.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/rt.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/jsse.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/jce.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/charsets.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/jfr.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/classes

extClassloader加载以下文件:
E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext;C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext

appClassLoader加载以下文件:
E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\charsets.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\deploy.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\cldrdata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\dnsns.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\jaccess.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\jfxrt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\localedata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\nashorn.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunec.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\zipfs.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\javaws.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jce.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jfr.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jfxswt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jsse.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\management-agent.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\plugin.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\resources.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\rt.jar;E:\IdeaProjects\interview\out\production\interview;E:\myeclipse\BookShop\WebRoot\WEB-INF\lib\mysql-connector-java-5.1.30.jar;D:\developer_tools\IDEA\IntelliJ IDEA 2019.3.2\lib\idea_rt.jar;C:\Users\zhz\.IntelliJIdea2019.3\system\captureAgent\debugger-agent.jar
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:52473', transport: 'socket'

Process finished with exit code 0

1.3、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.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的实例来加载我们的应用程序。

//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);
        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);
        }

2、双亲委派机制

JVM类加载器是有亲子层级结构的,如下图:
彻底剖析JVM类加载机制(一)_第4张图片

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TestMath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,顶层引导类加载器在自己的类加载路径里找了半天没找到TestMath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TestMath类,又向下退回TestMath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TestMath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
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,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。
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方法来完成类加载。

//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) {
       //不会执行
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

2.1、为什么要设计双亲委派机制?

1、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
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

例如:

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

2.2、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。

2.3、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;

        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 {
     
        //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/zhz/jvm 几级目录,将User类的复制类User1.class丢入该目录
        Class clazz = classLoader.loadClass("com.zhz.jvm.User1");
        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.zhz.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader

2.4、如何打破双亲委派机制呢

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

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;

        }

        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)

你可能感兴趣的:(架构师-性能优化,java)