jvm调优一：从源码级别了解jvm类加载机制
目录
一、类加载运行全过程
类加载器加载类的过程
二、类加载器和双亲委派机制
类加载器类型
类加载器初始化过程
双亲委派机制
为什么要设计双亲委派机制？
全盘负责委托机制
一、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.tuling.jvm;
2
3 public class Math {
4 public static final int initData = 666;
5 public static User user = new User();
6
7 public int compute() { //一个方法对应一块栈帧内存区域
8 int a = 1;
9 int b = 2;
10 int c = (a + b) * 10;
11 return c;
12 }
13
14 public static void main(String[] args) {
15 Math math = new Math();
16 math.compute();
17 }
18
19 } 通过Java命令执行代码的大体流程如下：
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
类加载器加载类的过程
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。注意， 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包里的类不是一次性全部加载的，是使用到时才加载。
public class TestDynamicLoad {
static {
System.out.println("*************load TestDynamicLoad************");
}
public static void main(String[] args) {
new A();
System.out.println("*************load test************");
B b = null;
}
static class A {
static {
System.out.println("*************load A************");
}
public A() {
System.out.println("*************initial A************");
}
}
class B {
static {
System.out.println("*************load B************");
}
public B() {
System.out.println("*************initial B************");
}
}
运行结果：
由此可见，当运行main方法时就是，开始加载了TestDynamicLoad，加载的过程中初始化步骤会调用静态代码块。然后执行new A()；开始加载A。之后只对B进行了定义，并没有真正是使用，所以是不会加载的。
二、类加载器和双亲委派机制
类加载器类型
上面的类加载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那些类自定义加载器：负责加载用户自定义路径下的类包
看一个类加载器示例：
public class TestJDKClassLoader {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(String.class.getClassLoader());
System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader());
System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader());
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：
类加载器初始化过程
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");
。。。 。。。 //省略一些不需关注代码
}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Math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Math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Math类，又向下退回Math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Math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
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
看一个类加载示例：
1 package java.lang;
2
3 public class String {
4 public static void main(String[] args) {
5 System.out.println("**************My String Class**************");
6 }
7 }
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。
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();
}
29 }
30
31 }
32
33 public static void main(String args[]) throws Exception {
34 //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
35 MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
36 //D盘创建 test/com/tuling/jvm 几级目录，将User类的复制类User1.class丢入该目录
37 Class clazz = classLoader.loadClass("com.tuling.jvm.User1");
38 Object obj = clazz.newInstance();
39 Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
40 method.invoke(obj, null);
41 System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
42 }
43 }运行结果：
打破双亲委派机制
再来一个沙箱安全机制示例，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());
}
}
Tomcat打破双亲委派机制
以Tomcat类加载为例，Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行？我们思考一下：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的修改，我们知道，jsp 文件最终也是要编译成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。再看看我们的问题： Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行？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，那么是无法加载两个相同类库的不同版本的，默认的类加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 。第三个问题和第一个问题一样。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；从图中的委派关系中可以看出：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 这种类加载机制违背了java 推荐的双亲委派模型了吗？答案是：违背了。很显然，tomcat 不是这样实现，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