从JDK源码级别剖析JVM类加载机制

1 什么是Java虚拟机

  1. 一个可执行java字节码的虚拟机进程；
  2. 跨平台的是java程序，而不是java虚拟机，java虚拟机在各个操作系统是不兼容的，例如windows、linux、mac都需要安装各自版本的虚拟机，java虚拟机通过jdk实现功能。jvm是用c/c++来写的，它屏蔽了不同操作系统硬件和软件之间的差异；
  3. oracle（原sun公司）虚拟机Sun HotSpot，生产环境使用该jdk。open jdk，使用在linux系统上，开源免费；

2 JVM类加载机制

2.1 类编译

2.1.1 javac

javac Math.java

将Math.java编译成Math.class字节码文件；
字节码本质是一个字节数组byte[]（所以被称作字节码文件），它有特定的复杂的内部结构；

2.1.2 javap

javap -v Math.class

将字节码反编译为可读的字节码指令文件；
源代码：

public class SyncCodeBlock {public int i;public void syncTask(){synchronized (this){i++;}}
}

反编译后:

public void syncTask();descriptor: ()Vflags: ACC_PUBLICCode:stack=3, locals=3, args_size=10: aload_01: dup2: astore_13: monitorenter  //注意此处，进入同步方法4: aload_05: dup6: getfield      #2             // Field i:I9: iconst_110: iadd11: putfield      #2            // Field i:I14: aload_115: monitorexit   //注意此处，退出同步方法16: goto          2419: astore_220: aload_121: monitorexit //注意此处，退出同步方法22: aload_223: athrow24: returnException table://省略其他字节码.......

JVM指令手册.pdf

2.1.3 class常量池

class文件包含的信息：类版本号、字段、方法、接口等描述信息、常量池信息；
常量池信息存放了编译器生成的字面量和符号引用；
一个class文件十六进制大体结构：
image.png
对应的含义如下：
image.png
javap -v Math.class如下：
image.png
红框为常量池信息，等号右边字符为“字面量”，左边#为符号引用；
常量池一旦被jvm装载到内存，就是运行时常量池了，对应的符号引用对应被加载到内存代码的直接引用，即动态链接；

2.1.4 字符串常量池

字符串分配，和其他对象分配一样，需要耗费高昂的时间和空间，作为基础数据类型，频繁的创建字符串，极大的耗费性能；
jvm对字符串进行了优化，为字符串开辟常量池，类似缓存区。创建字符串常量池时，先判断是否在该缓存区。存在返回该字符串，不存在，实例化该字符串并放入缓存区；
image.png
包装类常量池，包括：Byte、Short、Integer、Long、Character、Boolean，前5种在数值小于127时才使用对象池；Double没有实现常量池；
字符串常量池，java7之前放在方法区，java7以及以后放在堆区；

2.2 类加载

2.2.1 类加载运行过程

  • 通过java命令运行编译后的class文件，启动类的main函数，通过类加载器将主类加载到JVM内存
package com.firechou.test.testjava.jvm;public class Math {public static final int initData = 666;public static User user = new User();public int compute() {  //一个方法对应一块栈帧内存区域int a = 1;int b = 2;int c = (a + b) * 10;return c;}public static void main(String[] args) {Math math = new Math();int result = math.compute();System.out.println(result);}
}
  • 注意，通过java命令执行带package的类时，需要先进入classes根目录，执行class文件时带上包名
zhouyan@MacBook-Pro classes % pwd
/Users/zhouyan/projects/IdeaProjects/test-group/test-java/target/classes
zhouyan@MacBook-Pro classes % java com.firechou.test.testjava.jvm.Math
30
  • java命令执行代码流程

  • 其中loadClass的类加载过程如下

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；

2.2.2 类加载到方法区信息

加载到jvm方法区主要包括：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；

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。
主类在运行过程中用到的其他类加载为懒加载，使用到时才会加载；
可手动执行类加载：

Class.forName(...);

2.3 类加载器

2.3.1 类加载器分类

  • 启动类加载器

BootStrapClassLoader；
也叫引导类加载器，c++编写，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

ExtensionCLassLoader；
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，比如swing系列、内置js引擎、xml解析器等，通常以javax开头；

  • 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；

  • 自定义类加载器

负责加载用户自定义路径下的类包；
继承java.lang.ClassLoader，该类有两个核心方法：loadClass(String, boolean)和findClass()，loadClass实现了双亲委派机制，findClass为空由子类实现；
自定义类加载器就是重写findClass方法；
打破双亲委派机制是重写loadClass方法，修改双亲委派机制的逻辑；

2.3.2 类加载器初始化过程

执行java命令时，虚拟机会创建JVM启动器实例sun.misc.Launcher；

// sun.misc.Launcher的构造方法
public 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// 使用到了单例模式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");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);}}

其中，各个类加载器的父类为URLClassLoader，将某个类的父类加载器值为某个类加载器，实际上是将父类URLClassLoader的构造方法参数parent值置为某个类加载器；
比如将ExtClassLoader的父类加载器置为null，就是将URLClassLoader构造方法中的parent参数值为null；

// java.net.URLClassLoader
public URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent,URLStreamHandlerFactory factory) {super(parent);// this is to make the stack depth consistent with 1.1SecurityManager security = System.getSecurityManager();if (security != null) {security.checkCreateClassLoader();}acc = AccessController.getContext();ucp = new URLClassPath(urls, factory, acc);}

2.4 双亲委派机制

2.4.1 双亲委派机制

  • 什么是双亲委派机制？

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；
比如加载自己写的Math类，先由应用程序类加载器委托扩展类加载器加载，再由扩展类加载器委托启动类加载器加载，启动类加载器在自己的类加载路径没找到该Math类，于是退回扩展类加载器加载，扩展类加载器同样在自己的类加载路径没找到该Math类，于是退回应用程序类加载器加载，应用程序类加载器在自己的类加载路径找到了Math类，于是开始执行加载逻辑；

  • AppClassLoader实现双亲委派机制
// java.lang.ClassLoader，实现双亲委派机制
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException{synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// First, check if the class has already been loaded// 检查当前类加载器是否已经加载了该类Class<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {// 没有加载该类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.// 如果没有找到则退回下级类加载器加载，findClass由对应的类加载器实现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 statssun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}}if (resolve) { // 为false不会执行resolveClass(c);}return c;}}

其中，AppClassLoader和ExtClassLoader都继承了URLClassLoader类，URLClassLoader类实现了ClassLoader类的findClass方法；

  • 双亲委派机制作用

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，保证安全；
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
提高类的使用效率：一般程序中大部分代码都是自己写的类，通过双亲委派机制AppClassLoader加载这些类，在再次使用到该类时，明显提高了性能；

  • 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。

2.4.2 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findClass方法。

package com.firechou.test.testjava.jvm;import lombok.Data;@Data
public class User1 {private String name;public void print(){System.out.println("com.firechou.test.testjava.jvm.User.print");}
}
package com.firechou.test.testjava.jvm;import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;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();}}}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AppClassLoaderMyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("/Users/zhouyan/projects/IdeaProjects/");//如上目录下再创建 com/firechou/test/testjava/jvm 子目录（对应类的包名），将User类的复制类User1.class丢入该目录// com.firechou.test.testjava.jvm.User.print()Class clazz = classLoader.loadClass("com.firechou.test.testjava.jvm.User1");Object obj = clazz.newInstance();Method method = clazz.getDeclaredMethod("print", null);method.invoke(obj, null);System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());/*** com.firechou.test.testjava.jvm.User.print* com.firechou.test.testjava.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader*/}
}

注意：com.firechou.test.testjava.jvm.User同级的User1.java类要删除掉，否则程序运行时会在target目录下生成对应的User1.class，根据双亲委派机制，最终得到类加载器仍然是AppClassLoader；

2.4.3 tomcat打破双亲委派机制

  • 打破双亲委派机制

实现方案：
自定义类加载器，**重写loadClass()**方法，判断如果是自定义的类则使用自己的类加载器加载，如果是其他类还是遵行双亲委派机制，也必须遵行双亲委派机制，否则报错。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException{synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// First, check if the class has already been loadedClass<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {long t0 = System.nanoTime();// 注释此处逻辑，不走双亲委派机制// try {//     if (parent != null) {//         c = parent.loadClass(name, false);//     } else {//         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();c = findClass(name);// this is the defining class loader; record the statssun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}}if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}}
  • tomcat为什么要打破双亲委派机制？

web容器可以部署多个应用，需支持加载同一个类库的不同版本。默认的类加载器不会识别版本，只认类的全限定名，所以同一个类库的不同版本默认加载器只会加载一次；
web容器也有自己的类库，容器的类库应该与程序的类库分开；
需要支持jsp修改热加载。jsp编译后也是class文件，class文件修改了但是类名没修改，默认类加载器不会重新加载该类，需要卸载该类加载器，重新创建类加载器，才可以重新加载jsp文件，每一个jsp文件对应一个类加载器；

  • tomcat的几个类加载器


CommonClassLoader，tomcat最基本的类加载器，加载路径中的class可被tomcat容器和所有webapp访问；
CatalinaClassLoader，tomcat容器私有类加载器，对webapp不可见；
SharedClassLoader，webapp共享类加载器，tomcat容器不可见，对所有webapp可见；
WebappClassLoader，各个webapp私有类加载器，只对自己的webapp可见；
JsperLoader，加载范围为当前jsp文件编译后的.class文件，当tomcat监测到jsp文件被修改，就会删除该JsperLoader实例，再创建新的JsperLoader实例，从而实现了jsp的热加载；

  • tomcat这种类加载机制违背了java推荐的双亲委派模型了吗？

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。

  • 多个相同全限定名类对象可以共存

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。

  • 模拟实现Tomcat的JasperLoader热加载

原理：后台启动线程监听jsp文件变化，如果变化了找到该jsp对应的servlet类的加载器引用(gcroot)，重新生成新的JasperLoader加载器赋值给引用，然后加载新的jsp对应的servlet类，之前的那个加载器因为没有gcroot引用了，下一次gc的时候会被销毁。

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