性能调优-类加载机制深度解析学习笔记

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本博客内容来源至图灵学院Java架构师课程，我写本博客的目的是为了方便自己复习和巩固自己的知识体系。纯碎是一个笔记的作用，涉及到侵权，请联系我删除。

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。

java com.tuling.jvm.Math类

windows系统下java.exe调用底层的jvm.dll文件创建Java虚拟机（C++实现）

创建一个引导类加载器实例（C++实例）

C++调用Java代码创建JVM启动器实例sun.misc.Launcher,该类由引导类加载器负责加载创建其他类加载器

sun.misc.Launcher.getLauncher()

获取运行类自己的加载器ClassLoader,是AppClassLoader实例

launcher.getClassLoader()

调用loadClass加载要运行的类Math

classLoader.loadClass("com.tuling.jvm.Math")

加载完成时候JVM会执行Math类的main方法入口

Math.main()

java程序运行结束

JVM销毁

其中loadClass的类加载过程有如下几步：

加载-验证-准备-解析-初始化-使用-卸载

加载：在硬盘上查找并通过IO读入字节码文件，使用类时才会加载，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

验证：校验字节码文件的正确性

准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值。
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（符合引用，比如main()方法）替换为指向数据所存内存的指针或句柄（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。

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或切入点。

注意：主类在运行过程中如果使用到其他类，会逐步加载这些类。
jar包或war包里的类不是一次性全部加载的，是使用时才加载。

加载顺序为：

类的静态代码块。

代码中有new关键字创建的对象，先执行该对象类的静态代码块，再执行构造方法，

如果指定另外一个对象为null,则不会加载该类和对象。

类加载器和双亲委派机制

上面的类加载器过程主要是通过类加载器来实现的，Java里有如下几种类加载器

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。

拓展类加载器：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext拓展目录中的JAR类包。

应用程序类加载器：负责加载ClassPath路径下的类包，主要就是加载你自己写的哪些类。

自定义加载器：负责加载用户自定义路径下的类包。

类加载器初始化过程

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(拓展类加载器)和sun.misc.Launcher.AppClassLoader（应用类加载器）。

JVM默认使用Launcher的getClassLoader()方法返回类加载器AppClassLoader的实例加载我们的应用程序。

#双亲委派机制

JVM类加载遵循双亲委派机制，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。

双庆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。

AppClassLoader加载器源码

AppClassLoader加载类的双亲委派机制源码，AppClassLoader的loasClass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：

1.首先，检查一下执行名称的类是否已经加载过，如果加载过了，就不需要加载，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（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，那么调用当前类父加载器的findClass方法来完成类加载。

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) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        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();
                    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;
        }
    }

为什么要设计双亲委派机制？

沙箱安全机制：自己写的java.lang.Stirng.class类不会被加载，这样便可以防止核心API被随意篡改。

避免类的重复加载：当父类已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次，保证被加载类的唯一性。

全盘负责委托机制

全盘负责是指当一个ClassLoader装载一个类时，除非显示的使用另外一个ClassLoader，该类所依赖引用的类也由这个ClassLoder载入。

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。

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

打破双亲委派机制

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.

运行结果报错：

Prohibited package name:java.lang

Tomcat打破双亲委派机制

Tomcat是个web容器，那么它要解决什么问题。

1.一个web容器可能需要部署两个应用程序，不同的应用程序可能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，因此要保证每一个应用程序的类库都是独立的，保证相互隔离。

2.部署在同一个web容器中相同的类库相同的版本可以共享。否则，如果服务器有10个应用程序，那么要有10份相同的类库加载进虚拟机。

3.web容器也有自己依赖的类库，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。

4.web容器要支持jsp修改，我们知道，jso文件最终也要编译成class文件才能在虚拟机中运行，但程序运行后修改jsp已经是司空见惯的事情，web容器需要支持jsp修改后不用重启。

Tomcat如果使用默认的双亲委派加载机制行不行？

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，那么无法加载两个相同类库的不同版本的，默认的类加载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，因为他的职责就是保证唯一性。

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自定义加载器详解

Tomcat的几个主要类加载器

commonLoader：Tomcat最基本的类加载器，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，比如加载war包里相关的类，每个war包应用都有自己的WebappClassLoader，实现相互隔离，比如不同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；

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自己能加载的类则 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， 并通过再建立一个新的Jsp类加载器来实现JSP文件的热加载功能。

Tomcat类加载器机制违背了java推荐的双亲委派模型吗

违背了，tomcat 为了实现隔离性，没有遵守这个约定，每个 webappClassLoader加载自己的目录下的class文件，不会传递给父类加载器，打破了双亲委 派机制。

同一个JVM内，两个相同包名和类名的类对象可以共存，因为他们的类加载器可以不一 样，所以看两个类对象是否是同一个，除了看类的包名和类名是否都相同之外，还需要他们的类 加载器也是同一个才能认为他们是同一个。