JDK源码JVM类加载机制

布满荆棘的人生 2022-11-15 11:14 136阅读 0赞

# JVM类加载机制 #

首先我们的java小程序demo，经过编译后变成.class文件，他是如何加载到内存的将.class文件

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内存中有两大对象：1.类的字节码对象，只有一份在内存。2.类对象会有多份

### 文章目录 ###

*  JVM类加载机制
 *  前言
 *  一、类加载运行全过程
 *   *   *  1.咱们先看图：
         *  2.其中loadClass的类加载过程有如下几步：
         *   *   *  加载:
                 *  验证：
                 *  准备：
                 *  解析：
                 *   *  初始化：
 *  二、类加载器和双亲委派机制
 *   *  1.Java里有如下几种类加载器
     *   *   *   *   *  看一个类加载器示例：
                     *  类加载器初始化过程：
                     *  如下源码：
         *  2.双亲委派机制
         *  为什么要设计双亲委派机制？
         *   *   *  沙箱安全机制：
                 *  避免类的重复加载：
             *  看一个类加载示例：
             *  自定义类加载器：
             *  打破双亲委派机制

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# 前言 #

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通过Java命令执行代码的大体流程如下：

# 一、类加载运行全过程 #

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

### 1.咱们先看图： ###

先不做解释！  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNzMxMzU4_size_16_color_FFFFFF_t_70]

### 2.其中loadClass的类加载过程有如下几步： ###

**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，也就是验证字节码是否格式正确

##### 准备： #####

给类的静态变量分配内存，并赋予默认值，成员变量一开始是默认值例如 int i=0；String s=null;如果被final修饰的直接赋值不会有默认值的

##### 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，动态链接先不说

###### 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。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNzMxMzU4_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
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。

**注意：**  
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("*************load TestDynamicLoad************");
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            new A();
            System.out.println("*************load test************");
            B b = null;
            //new B(); 这块打开就是加载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************");
        }
    }

打印结果：

*************load TestDynamicLoad************
    *************load A************
    *************initial A************
    *************load test************

# 二、类加载器和双亲委派机制 #

## 1.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 类包  
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

###### 看一个类加载器示例： ######

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"));
        }
    }

打印结果：

null
    sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
    sun.misc.Launcher$AppClassLoader
    
    the bootstrapLoader : null
    the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7dc36524
    the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
    
    bootstrapLoader加载以下文件：
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/resources.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/rt.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/sunrsasign.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/jsse.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/jce.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/charsets.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/jfr.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/classes
    
    extClassloader加载以下文件：
    C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
    
    appClassLoader加载以下文件：
    C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\deploy.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\cldrdata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\jaccess.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\jfxrt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\localedata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\nashorn.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunec.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\zipfs.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\javaws.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jfr.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jfxswt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\management-agent.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\plugin.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\rt.jar;E:\code\mashibing-learning\JVM\target\classes;D:\IntelliJ IDEA 2019.3.3\lib\idea_rt.jar;C:\Users\capitek\.IntelliJIdea2019.3\system\captureAgent\debugger-agent.jar

###### 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。

###### 如下源码： ######

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);
            String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
           
        }

### 2.双亲委派机制 ###

JVM类加载器是有亲子层级结构的，如下图  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNzMxMzU4_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
这里类加载其实就有一个双亲委派机制，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。 比如我们的Math类，最先会找应用程序类加载器加载，应用程序类加载器会先委托扩展类加载 器加载，扩展类加载器再委托引导类加载器，顶层引导类加载器在自己的类加载路径里找了半天 没找到Math类，则向下退回加载Math类的请求，扩展类加载器收到回复就自己加载，在自己的 类加载路径里找了半天也没找到Math类，又向下退回Math类的加载请求给应用程序类加载器， 应用程序类加载器于是在自己的类加载路径里找Math类，结果找到了就自己加载了。。 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**

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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。

//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) { //几乎不会执行
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }

### 为什么要设计双亲委派机制？ ###

##### 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

#### 看一个类加载示例： ####

package java.lang;
    
    public class String { 
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println("**************My String Class**************");
        }
    }

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)
    否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application

**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。

#### 自定义类加载器： ####

结果

运行结果：  =======自己的加载器加载类调用方法======= 
    com.qjc.clsload.MyClassLoaderTest$MyClassLoader

#### 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);
                    //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();
                }
    
            }
    
            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) { 
                        long t0 = System.nanoTime();
    
                        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.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                            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("E:\\code\\learning\\JVM\\target\\classes");
            //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());
    
        }
    }

结果

java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
    	at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:662)
    	at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:761)
    	at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:642)
    	at com.qjc.clsload.MyClassLoaderTest$MyClassLoader.findClass(MyClassLoaderTest.java:29)
    	at com.qjc.clsload.MyClassLoaderTest$MyClassLoader.loadClass(MyClassLoaderTest.java:49)

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