JVM类加载机制详解

JVM类加载运行全过程

运行Math类的main函数，启动程序时，首先需要通过类加载器把类加载到JVM。

package com.cold;

public class Math {

    public int compute() {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a + b) * 10;
        return c;
    }

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

loadClass的类加载

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。
• 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的主要信息： 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。

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。

类加载属于懒加载，程序运行时使用到什么类就会加载什么类。

类加载器和双亲委派机制

类加载过程主要是通过类加载器来实现的，Java中有以下几种类加载器：

• 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（ExtClassLoader）： 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（AppClassLoader）： 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

类加载示例

package com.cold;

import sun.misc.Launcher;

import java.net.URL;

public class TestClassLoader {

    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(TestClassLoader.class.getClassLoader());

        System.out.println();

        ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        ClassLoader extClassLoader = appClassLoader.getParent();
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();

        System.out.println("the bootstrapClassLoader : " + bootstrapClassLoader);
        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"));
    }

}

输出结果

null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@77459877
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

the bootstrapClassLoader : null
the extClassLoader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@77459877
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

bootstrapLoader加载以下文件：
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk-1.8/jre/lib/resources.jar
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk-1.8/jre/lib/rt.jar
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk-1.8/jre/lib/jsse.jar
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk-1.8/jre/lib/jce.jar
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk-1.8/jre/lib/charsets.jar
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk-1.8/jre/lib/jfr.jar
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk-1.8/jre/classes

extClassloader加载以下文件：
D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

appClassLoader加载以下文件：
D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\charsets.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\deploy.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\ext\cldrdata.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\ext\dnsns.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\ext\jaccess.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\ext\jfxrt.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\ext\localedata.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\ext\nashorn.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\ext\sunec.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\ext\zipfs.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\javaws.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\jce.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\jfr.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\jfxswt.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\jsse.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\management-agent.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\plugin.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\resources.jar;D:\Program Files\Java\jdk-1.8\jre\lib\rt.jar;E:\working_folder\code\test-project\target\classes;D:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2023.1.1\lib\idea_rt.jar

类加载器初始化过程：

参考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。

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。

双亲委派机制

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。

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：

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方法来完成类加载。

为什么要设计双亲委派机制？

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

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

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。

package com.cold;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class MyClassLoaderTest {

    static class MyClassLoader extends ClassLoader{
        private String classPath;

        public MyClassLoader(String classPath){
            this.classPath = classPath;
        }

        private byte[] loadByte(String name) throws IOException {
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream is = new FileInputStream(classPath+"/"+name+".class");
            int len = is.available();
            byte[] data = new byte[len];
            is.read(data);
            is.close();
            return data;
        }

        @Override
        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("E:/test");
        //复制User.class文件到D:/test/com/cold目录下
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.cold.User");
        // 删除原有的User类输出的结果为com.cold.MyClassLoaderTest$MyClassLoader
        // 不删除原有的User类输出的结果为sun.misc.Launcher$AppClassLoader
        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。

模拟实现Tomcat的webappClassLoader加载自己war包应用内不同版本类实现相互共存与隔离

只需重写Class loadClass(String name, boolean resolve)，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载。

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。

package com.cold;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class MyClassLoaderTest {


    static class MyClassLoader extends ClassLoader{
        private String classPath;

        public MyClassLoader(String classPath){
            this.classPath = classPath;
        }

        private byte[] loadByte(String name) throws IOException {
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream is = new FileInputStream(classPath+"/"+name+".class");
            int len = is.available();
            byte[] data = new byte[len];
            is.read(data);
            is.close();
            return data;
        }

        @Override
        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();
            }
        }

        @Override
        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();

                    //非自定义的类还是走双亲委派加载
                    if(!name.startsWith("com.cold.jvm")){
                        c = this.getParent().loadClass(name);
                    }else {
                        c = findClass(name);
                    }


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

                    // 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;
            }
        }
    }

    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("E:/test");
        //复制User.class文件到D:/test/com/cold目录下
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.cold.jvm.User");
        // 输出结果com.cold.MyClassLoaderTest$MyClassLoader
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}