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从jdk源码深入剖析java类加载机制

2021-10-07 15:00:55 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：

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

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：

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。
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$ExtClassLoader，ExtClassLoader主要加载%JAVA_HOME%/jre/lib/ext，此路径下的所有classes目录以及java.ext.dirs系统变量指定的路径中类库。
AppClassLoader Bootstrp loader加载完ExtClassLoader后，就会加载AppClassLoader,并且将AppClassLoader的父加载器指定为 ExtClassLoader。AppClassLoader也是用Java写成的，它的实现类是 sun.misc.Launcher$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，AppClassLoader的Parent 加载器是 ExtClassLoader,但是ExtClassLoader的Parent为 null 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：

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。
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。
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：

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
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：

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。
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。
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。
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：

commonLoader：Tomcat最基本的类加载器，加载路径中的class可以被Tomcat容器本身以及各个Webapp访问；
catalinaLoader：Tomcat容器私有的类加载器，加载路径中的class对于Webapp不可见；
sharedLoader：各个Webapp共享的类加载器，加载路径中的class对于所有 Webapp可见，但是对于Tomcat容器不可见；
WebappClassLoader：各个Webapp私有的类加载器，加载路径中的class只对当前 Webapp可见，比如加载war包里相关的类，每个war包应用都有自己的WebappClassLoader，实现相互隔离，比如不同war包应用引入了不同的spring版本，这样实现就能加载各自的spring版本；

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