JVM类加载和双亲委派机制

yangnk422023-09-09 17:25

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类加载到JVM，本文主要说明类加载机制和其具体实现双亲委派模式。

一、类加载机制

类加载过程：

类加载的过程是将类的字节码加载到内存中的过程，主要包括：加载-->链接-->初始化，其中链接还包括验证、准备、解析3个步骤。

  1. 加载：将class文件加载到内存，在方法区生成运行时常量池、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，生成的Class实例对象放到堆中；
  2. 验证：验证这个class文件是否合法，包括文件格式的校验，元数据类型的校验等；
  3. 准备：为类变量分配内存空间，但此时只是初始化为默认值而非真实值，但对于final变量此时会初始化为真实值；
  4. 解析：将符号引用（相对引用）转换为直接引用，符号引用是class文件的相对表达方式，直接引用就是在该系统里地址指针，比如hello()方法为符号引用，0x12345678为直接引用；
  5. 初始化：初始化类变量成真实值，初始化静态代码段，实际执行的是类构造器 方法。

类加载过程是懒加载的策略，只有当该类被使用了才会被初始化，实际就是调用classLoader的 方法执行的过程；会触发类的初始化操作条件为：（1）需要创建新的对象，执行了new操作；（2）调用了类的静态变量或静态方法；（3）通过反射机制来获取某个类的时候；

利用new实例化对象的过程：

Java的对象实例化的过程是调用 方法，在进行new操作的时候会执行实例化操作，实例化的过程主要 是调用构造方法的过程。在进行对象实例化前，已经初始化静态变量和静态代码段，实例化过程会初始化变量和代码块、调用构造方法进行实例化，利用new操作实例化对象的过程：

二、双亲委派

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Bootstrap ClassLoader：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Extension ClassLoader：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；
  • 应用程序类加载器Application ClassLoader：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Customer ClassLoader：负责加载用户自定义路径下的类包；

以下代码打印出各个类关联的ClassLoader情况：

java 复制代码 
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"));

    }
}

类加载的具体实现是通过双亲委派机制，加载某个类时会先委托父加载器寻找目标类，找不到再委托上层父加载器加载，如果所有父加载器在自己的加载类路径下都找不到目标类，则在自己的类加载路径中查找并载入目标类。

简单理解就是：能父加载器做的事就父加载器做，父加载器做不了的事情才自己来做。

设计双亲委派机制的好处是：

  1. 保障类的唯一性：ClassLoader的双亲委派模型保障一个类在类加载器的唯一性，父类已经加载了该类，子类就不再加载，保障被加载类的唯一性。
  2. 实现沙箱安全机制：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。

类加载器实现原理：

先说明类加载器本身初始化的逻辑：

  1. 在sun.misc.Launcher类中创建JVM启动器实例。
  2. 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)。
  3. 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。
java 复制代码 
//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);
    }
        //设置当前线程的类加载器为应用类加载器
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
    String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
    //...
}

再说明一下AppClassLoader的loadClass方法，该方法是进行class文件加载的方法，但最终会调用其父类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。
java 复制代码 
//ClassLoader的loadClass方法，里面实现了双亲委派机制
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;
    }
}

用户可以设置自定义类加载器来打破默认的双亲委派模式，主要是实现loadClass()方法，在这个方法中可以自定义加载class文件的逻辑。

java 复制代码 
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();
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }
    }

    public static void main(String args[]) throws Exception {
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("xxx");
        //尝试用自己改写类加载机制去加载自己写的java.lang.String.class
        Class clazz = classLoader.loadClass("java.lang.String");
        Object obj = clazz.newInstance();
        Method method= clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
        method.invoke(obj, null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

打破双亲委托的方法：

通过线程上下文类加载器Thread Context ClassLoader#setContextClassLoader(ClassLoader c)可以指定当前线程的类加载器，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个；如果在应用程序的全局范围内都没有设置过，那么这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

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