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：
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
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：
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：
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)