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从jdk源码深入剖析java类加载机制

作者:互联网

当我们用java命令运行某个类的main函数启动程序时,首先需要通过类加载器把主类加载到 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();
        math.compute();
    }
}

通过Java命令执行代码的大体流程如下:

从上图我们可以看出发起调用的地方是操作系统底层帮我们实现的,引导类加载器也不是由java编写的。

在真正加载我们要运行的类之前要做很多准备工作,这其中很多地方都不是java语言所能处理的,因此不必做过多的探究。

那么类加载在加载类的过程中发生了哪些事情呢?大概可以分为以下七个阶段:

 

PS: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。

那么类是在jvm启动时就全部加载了吗?

答案是否定的,事实上,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。请看下面例子

public class TestDynamicLoad {
    static {
        System.out.println("*************加载主启动类************");
    }

    public static void main(String[] args) {
        new A();
        System.out.println("*******加载测试********");
        B b = null;//B不会加载,除非这里执行new B();
    }
}

class A{
    static {
        System.out.println("*******加载A类********");
    }

    public A() {
        System.out.println("*******初始化A类********");
    }
}

class B{
    static {
        System.out.println("*******加载B类********");
    }

    public B() {
        System.out.println("*******初始化B类********");
    }
}
运行结果:
*************加载主启动类************
*******加载A类********
*******初始化A类********
*******加载测试********

 

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:

  1. Bootstrp loader Bootstrp加载器是用C++语言写的,它是在Java虚拟机启动后初始化的,它主要负责加载%JAVA_HOME%/jre/lib,-Xbootclasspath参数指定的路径以及%JAVA_HOME%/jre/classes中的类。

  2. ExtClassLoader Bootstrp loader加载ExtClassLoader,并且将ExtClassLoader的父加载器设置为Bootstrp loader.ExtClassLoader是用Java写的,具体来说就是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader,ExtClassLoader主要加载%JAVA_HOME%/jre/lib/ext,此路径下的所有classes目录以及java.ext.dirs系统变量指定的路径中类库。

  3. AppClassLoader Bootstrp loader加载完ExtClassLoader后,就会加载AppClassLoader,并且将AppClassLoader的父加载器指定为 ExtClassLoader。AppClassLoader也是用Java写成的,它的实现类是 sun.misc.Launcher$AppClassLoader,另外我们知道ClassLoader中有个getSystemClassLoader方法,此方法返回的正是AppclassLoader.AppClassLoader主要负责加载classpath所指定的位置的类或者是jar文档,它也是Java程序默认的类加载器。

类加载器初始化过程:

参见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。 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 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。

jdk源代码如下:

//Launcher的构造方法
public Launcher() {
	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
		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);

双亲委派机制

前面说了,java中有三个类加载器,问题就来了,碰到一个类需要加载时,它们之间是如何协调工作的,即java是如何区分一个类该由哪个类加载器来完成呢。 在这里java采用了委托模型机制,这个机制简单来讲,就是“类装载器有载入类的需求时,会先请示其Parent使用其搜索路径帮忙载入,如果Parent 找不到,那么才由自己依照自己的搜索路径搜索类

下面举一个例子来说明,为了更好的理解,先弄清楚几行代码:

Public class Test{
 
    Public static void main(String[] arg){
 
      ClassLoader c  = Test.class.getClassLoader();  //获取Test类的类加载器
 
        System.out.println(c); 
 
      ClassLoader c1 = c.getParent();  //获取c这个类加载器的父类加载器
 
        System.out.println(c1);
 
      ClassLoader c2 = c1.getParent();//获取c1这个类加载器的父类加载器
 
        System.out.println(c2);
 
  }
 
}

结果:
……AppClassLoader……
 
……ExtClassLoader……
 
Null

可以看出Test是由AppClassLoader加载器加载的,AppClassLoaderParent 加载器是 ExtClassLoader,但是ExtClassLoaderParentnull 是怎么回事呵,朋友们留意的话,前面有提到Bootstrap Loader是用C++语言写的,依java的观点来看,逻辑上并不存在Bootstrap Loader的类实体,所以在java程序代码里试图打印出其内容时,我们就会看到输出为null

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。

源代码如下:

ClassLoader.java

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) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

URLClassLoader.java

protected Class<?> findClass(final String name)
        throws ClassNotFoundException
    {
        final Class<?> result;
        try {
            result = AccessController.doPrivileged(
                new PrivilegedExceptionAction<Class<?>>() {
                    public Class<?> run() throws ClassNotFoundException {
                        //匹配被加载类的路径和当前类加载器的加载路径,看能否匹配到
                        String path = name.replace('.', '/').concat(".class");
                        Resource res = ucp.getResource(path, false);
                        if (res != null) {
                            try {
                                //如果能匹配到,就进行真正的类加载,
                                //就会执行前面说的类加载的几个阶段
                                return defineClass(name, res);
                            } catch (IOException e) {
                                throw new ClassNotFoundException(name, e);
                            }
                        } else {
                            return null;
                        }
                    }
                }, acc);
        } catch (java.security.PrivilegedActionException pae) {
            throw (ClassNotFoundException) pae.getException();
        }
        if (result == null) {
            throw new ClassNotFoundException(name);
        }
        return result;
    }

分析源代码可知:双亲委派功能是在ClassLoader类的loadClass中方法实现的(所以想要打破双亲委派机制,重写loadClass方法即可),真正的类加载是在URLClassLoader的findClass方法实现的。

那么为什么要设计双亲委派机制?

主要有以下2点原因:

  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

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:

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。

tomcat 这种类加载机制违背了java 推荐的双亲委派模型了吗?答案是: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。

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标签:java,jdk,ExtClassLoader,AppClassLoader,Launcher,源码,class,加载
来源: https://blog.csdn.net/wanghuiwei888/article/details/120635930