JVM-从JDK源码级别剖析JVM类加载机制（1）
从Java.exe解释java类加载运行全过程
类加载宏观流程图：
java 指令在windows 系统下就是一个java.exe文件，在执行java 指令是会调用底层的jvm.dll（这个是动态连接库，是java虚拟机的实际操作处理所在）文件创建Java虚拟机（由C++实现的），创建完虚拟机后，会接着创建一个引导类加载器的实例（C++实现），然后C++会调用Java代码创建JVM启动器实例sun.misc.Launcher 该类由引导类加载器 (Java中以NULL标识) 负责加载，Launcher类中getLauncher方法中会初始化Launcher对象，Launcher初始化时会创建其他的类加载器（AppClassLoader也会创建），然后再加载代码所需要的Math类，加载完成后C++会调用Math.main()。
其中Java层面的loadClass的步骤有：
loadClass 步骤图：
1. 加载：
从磁盘中查找并通过IO读入字节码文件中，使用到类时才会加载，例如 调用main方法 new对象，在加载阶段会生成一个对应的.class文件,作为方法去对该类数据访问的入口
2. 验证
验证字节码的文件正确性，例如cafe baby
3. 准备
进行赋默认值 例如 int 类型赋值0 boolean 赋值为 false…
4. 解析
将符号引用变为直接引用，该阶段会把一些静态方法（符号引用、main()）替换成指向数据所存内存的指针或者句柄（直接引用），这就是所谓的静态链接在（类加载期间完成），动态链接 指的是代码在运行期间完成符号引用替换成直接引用 例如 在运行期间调用了 compute （）方法，直接引用就是指向compute方法的内存地址
5. 初始化
对类的静态变量赋初始值，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。
类的加载机制（懒加载）
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("*************loadTestDynamicLoad************" );
}
public static void main(String[] args) {
new A();
System.out.println("*************load test************");
B b = null; //B不会加载，除非这里执行 new B()
}
}
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：
*************load TestDynamicLoad************
*************load A************
*************initial A************
*************load test************
类加载器和双亲委派机制
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 -
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
类加载器创建源码:
//sun.misc.Launcher#getLauncher 获取launcher对象
public static Launcher getLauncher() {
return launcher;
}
public Launcher() {
Launcher.ExtClassLoader var1;
try {
//生成ExtClassLoader（扩展类加载器）
var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
} catch (IOException var10) {
throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
}
try {
//生成AppClassLoader（应用类加载器）
// 注意：在ClassLoader父类中有一个parent参数也是在这里指定的 var1（涉及到类加载机制：双亲委派机制）
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");
if (var2 != null) {
SecurityManager var3 = null;
if (!"".equals(var2) && !"default".equals(var2)) {
try {
var3 = (SecurityManager)this.loader.loadClass(var2).newInstance();
} catch (IllegalAccessException var5) {
} catch (InstantiationException var6) {
} catch (ClassNotFoundException var7) {
} catch (ClassCastException var8) {
}
} else {
var3 = new SecurityManager();
}
if (var3 == null) {
throw new InternalError("Could not create SecurityManager: " + var2);
}
System.setSecurityManager(var3);
}
}
认识类加载器:
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().getClass().getName());
System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());
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：
null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader
the bootstrapLoader : null
the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@3764951d
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@14dad5dc
bootstrapLoader加载以下文件：
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/resources.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/rt.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jsse.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jce.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/charsets.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jfr.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/classes52
extClassloader加载以下文件：
D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
appClassLoader加载以下文件：
D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\charsets.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib
\deploy.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\access‐bridge‐64.jar;D:\dev\Java
\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\cldrdata.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\dnsns.j
ar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\jaccess.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\l
ib\ext\jfxrt.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\localedata.jar;D:\dev\Java
\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\nashorn.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunec.j
ar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_
45\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;D:
ev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\zipfs.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\javaws.
ar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jce.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jfr.j
ar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jfxswt.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\js
se.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\management‐
agent.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\plugin.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre
\lib\resources.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\rt.jar;D:\ideaProjects\projec
t‐all\target\classes;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\apache\zookeeper\zookeepe
r\3.4.12\zookeeper‐3.4.12.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\slf4j\slf4j‐
api\1.7.25\slf4j‐api‐1.7.25.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\slf4j\slf4j‐lo
g4j12\1.7.25\slf4j‐log4j12‐
1.7.25.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\log4j\log4j\1.2.17\log4j‐
1.2.17.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\jline\jline\0.9.94\jline‐
0.9.94.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\apache\yetus\audience‐
annotations\0.5.0\audience‐annotations‐0.5.0.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\i
o\netty\netty\3.10.6.Final\netty‐3.10.6.Final.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository
\com\google\guava\guava\22.0\guava‐22.0.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\go
ogle\code\findbugs\jsr305\1.3.9\jsr305‐1.3.9.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\c
om\google\errorprone\error_prone_annotations\2.0.18\error_prone_annotations‐2.0.
18.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\j2objc\j2objc‐annotations\1.1\j2
objc‐annotations‐1.1.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\codehaus\mojo\animal‐
sniffer‐annotations\1.14\animal‐sniffer‐annotations‐1.14.jar;D:\dev\IntelliJ IDE
A 2018.3.2\lib\idea_rt.jar
双亲委派机制运行原理
首先由AppClassLoader 查询该类是否已经被加载，如果没有加载则会委托给ExtClassLoader，ExtClassLoader 也会查询该类是否已经被加载，如果没有则会委托给BootstrapClassLoader ，如果BootstrapClassLoader 在自己加载的范围中查找，没有该类的路径则会向下传递，接着由ExtClassLoader 从自己的范围中查找，没有该类的路径则会向下传递，接着由AppClassLoader 从自己的加载范围中查找找到了则进行加载。
源码解析
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 检查当前类加载器是否已经加载了该类
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
if (parent != null) { //如果当前加载器父加载器不为空则委托父加载器加载该类
c = parent.loadClass(name, false);
} else { //如果当前加载器父加载器为空则委托引导类加载器加载该类
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();
//都会调用URLClassLoader的findClass方法在加载器的类路径里查找并加载该类
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) { //不会执行
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
注意:
还有一种加载机制为全面委托加载机制，什么是全面委托加载机制？：比如 A类 中引用B类 ，如果A类由AppClassLoader加载的则B类的类加载器也是AppClassLoader。
为何要使用双亲委派机制？
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
package java.lang;
public class String {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("**************My String Class**************");
}
}
运行结果：
错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
public static void main(String[] args)
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ClassLoader再加载一次，保证被加载类的唯一性
如何打破双亲委派机制？
解决方案：自定义类加载器
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();
}
}
}
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("D:/test");
//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
Class clazz = classLoader.loadClass("com.tuling.jvm.User1");
Object obj = clazz.newInstance();
Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
method.invoke(obj, null);
System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
}
}
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();
//非自定义的类还是走双亲委派加载
if (!name.startsWith("com.tuling.jvm")){
c = this.getParent().loadClass(name);
}else{
c = findClass(name);
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
}
public static void main(String args[]) throws Exception {
MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
Class clazz = classLoader.loadClass("com.tuling.jvm.User1");
Object obj = clazz.newInstance();
Method method= clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
method.invoke(obj, null);
System.out.println(clazz.getClassLoader());
System.out.println();
MyClassLoader classLoader1 = new MyClassLoader("D:/test1");
Class clazz1 = classLoader1.loadClass("com.tuling.jvm.User1");
Object obj1 = clazz1.newInstance();
Method method1= clazz1.getDeclaredMethod("sout", null);
method1.invoke(obj1, null);
System.out.println(clazz1.getClassLoader());
}
}
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