《性能调优之JVM》❤️01深入了解JVM类加载机制

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前言

学习类加载的全过程和主要过程、双亲委派机制。

一、类加载运行全过程

类加载运行全过程就是从java.exe创建JVM，到类加载器初始化，到加载类的过程，main方法执行，程序结束，最后，JVM销毁。

当main函数启动时，需要通过类加载器把主类加载到 JVM。

package com.stud;

public class Student {
    public static final int score = 100;
    public static User user = new User();

    public int getSum(){
        int a = 4;
        int b = 5;
        int sum = a + b;
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Student student = new Student();
        student.getSum();
    }

}

类加载全过程的流程图如下：

首先，我们在刚学习Java的时候都知道要运行.java文件需要执行：要Student .java经过jdk/bin/javac.exe编译为字节码Student .class，再经过jre/bin/java.exe运行得到结果（jvm在jre/bin里面，在运行中，会使用到jre/lib的资源）。
然后，类加载全过程大致分为三个部分：

1. JVM创建：java.exe（C++启动程序）创建了JVM和引导类加载器
2. 加载类：JVM启动之后，C++调用Java启动程序，Launcher创建（getLauncher()）Java级别的一些类加载器，然后通过这些类加载器去加载（loadClass()）字节码文件。
3. 程序运行：C++底层调用main方法，程序运行，运行结束，JVM销毁。

二、类加载的主要过程

分析类是如何通过类加载器加载到JVM里面。

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

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 ；常量直接赋值。
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
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。
   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。

三、类加载器

类加载过程主要是通过JVM中的类加载器来实现的：

1. 引导类加载器BootstrapClassLoader：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
3. 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
4. 自定义加载器：负责加载用户自定义路径下的类包

四、类加载器初始化过程

类加载器本质上就是一些对象，由Launcher创建。
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 扩展类加载器和应用类加载器。
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。

五、双亲委派机制

类加载有一个双亲委派机制：
加载某个类时会先向上委托父加载器的缓存寻找目标类，找到就返回，否则继续向上找；顶层也没有时，就向下到加载路径中查找，
找到就加载返回，否则继续向下找。

简单说，双亲委派机制就是先找父亲加载，不行再由儿子自己加载。
注意：系统默认的类加载器是AppClassLoader。

六、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

七、怎么自定义类加载器？

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loadClass方法和findClass方法。

八、怎么打破双亲委派机制？

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。比如Tomcat

九、Tomcat为什么要打破双亲委派机制？

因为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。

十、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。
解决方案：我们可以直接卸载掉这jsp文件的类加载器，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。