JVM进阶调优【1】类加载器原理一文讲透

.java文件如何运行？

java对象的创建流程和内存分配，生命周期是怎样？

jvm类加载器机制剖析？

jvm垃圾收集器有几种？

工作中的GC问题如何排查解决？

jvm工作实战案例xx分析？

....

思辨比较一番，其实不管从实战开笔、还是理论基础开局都要遵从由浅入深、文章内容连贯的出发点，决定保持和并发系列写作风格，结合实际实用案例代码到知识点，让文章阅读变得简单、有趣、实用！

整个系列框架大概是围绕JVM类加载器机制、内存模型JMM、对象生命周期管理、垃圾回收机制、GC实战进行展开。

一、类加载机制是什么？

类加载机制，就是JVM进程通过类加载器classLoader将.class文件加载到内存解析、运行的过程。那.class文件如何被加载和运行的呢?

1.1 java代码是如何运行起来的？

1、首先.java文件，通过javac命令编译或者通过mvn打包变成jar、war包，java文件就变成.class文件。

2、然后运行.class文件，通过java -jar xxx来运行。那具体的某个类class文件，什么时候被加载到jvm内存中？

比如以下代码，什么时候会加载User.class文件？当执行代码要用到这个类的时候就会被加载。

在执行Demo001ClassLoader的main方法时候，发现有调用getUser()方法，而方法里有实例化User类，这时候就会去加载User.class文件。

public class Demo001ClassLoader {
    public User getUser(String userName) {
        User user = new User(userName);
        return user;
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("类加载器机制");
        Demo001ClassLoader classLoader = new Demo001ClassLoader();
        classLoader.getUser("拉丁");
    }
}

jvm进程通过类加载器加载相关类的class文件到内存执行，这个时候就涉及要理解类加载器的机制。

二、有多少种类加载器？

2.1 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

用来加载 Java 的核心类，java的核心类就是我们安装JDK的时候，包里面有个lib目录，里面的文件就是java的核心类库。

2.2 扩展类加载器（Extention ClassLoader)

扩展类加载器负责加载 JDK安装包lib 目录下还有一个ext 目录，这个ext目录下的或者被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径中的所有类库。

2.3 应用类加载器（Application ClassLoader)

负责在 JVM 启动时加载用户类路径上的指定类库，比如我们开发的java程序，就是由这个应用类加载器来加载。

2.4 用户自定义类加载器（User ClassLoader)

当上述 3 种类加载器不能满足需求时，我们可以继承 java.lang.ClassLoader 类，自定义一个类加载器。在自定义的累加器里如果想打破双亲委派机制，那么可以重写 loadClass 方法；如果不想打破双亲委派机制，那么只需要直接重写 findClass 方法即可。

三、具体说说双亲委派机制原理？

jvm收到一个类加载的请求，是如何安排的呢？四种类加载器，到底哪个类加载器会去加载？

jvm默认的加载机制就是双亲委派机制。这个机制，就是一个【父子层级结构关系】图。每个类加载器都有一个父加载器。

自定义类加载器的父加载器是【应用类加载器】。

应用类加载器的父加载器就是【扩展类加载器】。

扩展类加载器的父加载器就是【启动类加载器】。

双亲委派机制

双亲委派机制（实际就是父类委派）核心原理：一个类加载器收到一个类加载请求时，先委托父加载器去加载。如果父加载器还有父级，继续递归委托，请求最终到达最顶级加载器，也就是启动类加载器Bootstrap ClassLoader。

启动类加载器判断是否在自己的加载范围目录下，如果在就加载返回成功，不在的话就把加载任务下推交给下一级加载器-扩展类加载器，扩展类加载器也是类似如此。最后如果子类加载器本身也加载不到这个类就报ClassNotFoundException异常。

一句话：类加载任务先上推给父加载器，上推递归直到启动类加载器才开始尝试加载。如果启动类加载器加载不到该类，就开始下发分配给子类加载器。

再简单就是：类加载任务来了，先委派父级加载器去处理。父类加载器加载不到，自己才去加载。

四、双亲委派机制的优点是什么、缺点是什么?

4.1 双亲委派机制的优点

避免重复加载：保证每个类只被加载一次。

安全性：由于每个类只被加载一次，确保全局唯一，避免核心api被篡改。

4.2 双亲委派机制的缺点

缺点1：子类加载器可以使用父类加载过的类，但是父类加载器无法使用子类加载器加载过的类。

比如JDK有很多服务提供者接口SPI（Service provider Interface），像jdbc、JDNI接口，这些是java的核心库，都是在JDK包的lib目录下。负责加载这个目录的是启动类加载器。实现这些SPI接口的是第三方自定义包，比如MySQL的jdbc、oracle的jdbc，这种自定义的包，按理应该在自定义类加载器里加载。

按双亲委派机制，在应用程序执行到SPI接口实现方法，启动类加载器从lib目录下加载完SPI接口后，jvm发现这个接口实现方法的代码还在自定义类加载器负责范围里，这时候把启动类加载器难倒了！【我要加载一个类，但是我加载不到，而且我没有父加载器委托，更bug 的是我无法向下委托加载】。

4.3 打破双亲委派机制的方式

双亲委派机制并不是一个强制约束，而是 Java 设计者推荐给我们的类加载器的实现方式。所以为了完成某些特定操作，我们可以“打破” 这个机制。

打破双亲委派模型的方法主要包括：

1、重写 loadClass() 方法，比如我们自定义类加载器，如果要打破双亲委派机制，我们就重写loadClass()方法就可以。

2、利用线程上下文加载器。Java 应用上下文加载器默认是使用 AppClassLoader。若想要在父类加载器使用到子类加载器加载的类，可以使用 Thread.currentThread().getContextClassLoader()。

System.out.println("使用线程上下文类加载器加载去加载指定资源");
// 使用线程上下文类加载器加载去加载指定资源==比如加载核心类库sql.Date类
String name = "java/sql/Date.class";
Enumeration<URL> urls = Thread.currentThread().getContextClassLoader().getResources(name);
while (urls.hasMoreElements()) {    
URL url = urls.nextElement();    
System.out.println(url.toString());
}

五、Tomcat如何打破双亲委派机制？

Tomcat是一个web容器，需要部署多个应用。每个应用的依赖代码可能是不同的版本。比如A应用的fastJson是2.0版本，B应用是3.0版本，里面都有JASONArray类。但按双亲委派机制，不可以重复加载同一个类。

Tomcat 为每个 web 容器单独提供一个 WebAppClassLoader 加载器，通过提供隔离的机制，破坏双亲委派原则。

实现流程大概如下：

1、为每一个应用在容器里有单独的 WebAppClassLoader 加载器，该加载器负责只加载应用自身目录下的 class 文件，从而实现隔离。

2、如果WebAppClassLoader加载不到，才向上委派到通用的加载器 CommonClassLoader 进行加载。