JVM之类加载器

我不是女神ヾ 2024-02-19 10:31 45阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  版权声明
 *  类加载器
 *  类加载器的分类
 *   *  启动类加载器
     *  拓展类加载器&应用程序类加载器
 *  双亲委派机制
 *   *  解决三个问题
 *  打破双亲委派机制
 *   *  自定义类加载器
     *  案例演示
     *  线程上下文类加载器
     *  案例梳理
     *  OSGi模块化

*  本博客的内容基于我个人学习黑马程序员课程的学习笔记整理而成。我特此声明，所有版权属于黑马程序员或相关权利人所有。本博客的目的仅为个人学习和交流之用，并非商业用途。
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## 类加载器 ##

*  类加载器（ClassLoader）是**Java虚拟机提供给应用程序去实现获取类和接口字节码数据的技术。**
 *  **类加载器只参与加载过程中的字节码获取并加载到内存这一部分**  
    ![在这里插入图片描述][b5779ac60334477c9a400e063750ac17.png]  
    ![在这里插入图片描述][e5aaa3d278c64f3cb91958dbf6473fd8.png]
 *  类加载器的应用场景  
    ![在这里插入图片描述][a1d3114f7014448b85101c6a179d4e6e.png]

## 类加载器的分类 ##

*  类加载器分为两类，一类是Java代码中实现的，一类是Java虚拟机底层源码实现的。  
    ![\-][-]
 *  类加载器的设计JDK8和8之后的版本差别较大，JDK8及之前的版本中默认的类加载器有如下几种  
    ![在这里插入图片描述][23c53d0a22884b64b5bf26c9b3efeaf6.png]
 *  类加载器的详细信息可以通过classloader命令查看：
    
     *  classloader - 查看 classloader 的继承树，urls，类加载信息，使用 classloader 去getResource
     *  详细的指令教程请参考[Arthas官网][Arthas]

[arthas@17048]$ classloader
     name                                       numberOfInstances  loadedCountTotal
     BootstrapClassLoader                       1                  2248
     com.taobao.arthas.agent.ArthasClassloader  1                  1351
     sun.misc.Launcher$ExtClassLoader           1                  47
     sun.reflect.DelegatingClassLoader          15                 15
     sun.misc.Launcher$AppClassLoader           1                  8
    Affect(row-cnt:5) cost in 7 ms.
    [arthas@17048]$ classloader -t
    +-BootstrapClassLoader
    +-sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7fe21cf8
      +-com.taobao.arthas.agent.ArthasClassloader@53e59711
      +-sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
    Affect(row-cnt:4) cost in 5 ms.

*  BootstrapClassLoader：c++编写的启动类加载器，位于虚拟机的源码中
    
     *  `numberOfInstances ：1` 类加载器的个数为一个
     *  `loadedCountTotal： 2248` 共加载了2248个核心类
 *  ArthasClassloader: ArthasClassloader工具的加载器
 *  ExtClassLoader：拓展类加载器
 *  DelegatingClassLoader： jdk底层实现用来提升反射效率的加载器
 *  AppClassLoader：应用程序类加载器

### 启动类加载器 ###

*  启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）是由Hotspot虚拟机提供的、使用C++编写的类加载器
 *  默认加载Java安装目录/jre/lib下的类文件，比如rt.jar，tools.jar，resources.jar等。  
    ![在这里插入图片描述][68c7026404ef413d89abe7ca1bf84490.png]
 *  通过启动类加载器去加载用户jar包
    
     *  放入jre/lib下进行扩展：不推荐，尽可能不要去更改JDK安装目录中的内容，会出现即时放进去由于文件名不匹配的问题也不会正常地被加载
     *  **使用参数进行扩展：推荐，使用`-Xbootclasspath/a:jar包目录/jar包名` 进行扩展**

### 拓展类加载器&应用程序类加载器 ###

*  扩展类加载器和应用程序类加载器都是JDK中提供的、使用Java编写的类加载器
 *  **它们的源码都位于`sun.misc.Launcher`中，是一个静态内部类，继承自URLClassLoader。通过目录或者指定jar包将字节码文件加载到内存中。**  
    ![在这里插入图片描述][0d088597283c495ebb0f475effe0ea46.png]
 *  扩展类加载器（Extension Class Loader）是JDK中提供的、使用Java编写的类加载器
 *  默认加载Java安装目录/jre/lib/ext下的类文件

![在这里插入图片描述][2cda5bd3f58d4935820934825a7d10c0.png]

*  通过扩展类加载器去加载用户jar包
    
     *  放入/jre/lib/ext下进行扩展：不推荐，尽可能不要去更改JDK安装目录中的内容
 *  使用参数进行扩展
    
     *  推荐，使用-Djava.ext.dirs=jar包目录 进行扩展,这种方式会覆盖掉原始目录，可以用;(windows):(macos/linux)追加上原始目录

>  *  类加载器的加载路径可以先使用`classloader -l`查看类的hash值，然后通过`classloader –c hash值` 查看  
>     ![在这里插入图片描述][be6710824ac84eb3bcd0438fa265d834.png]

## 双亲委派机制 ##

*  由于Java虚拟机中有多个类加载器，那么一个类到底由哪个加载器进行加载？
 *  解决方案：双亲委派机制 双亲委派机制的核心是**解决一个类到底由谁加载的问题**  
    ![在这里插入图片描述][bd3b0f7e597a4ea48e5502507feb3976.png]
 *  每个Java实现的类加载器中保存了一个成员变量叫“父”（Parent）类加载器，可以理解为它的上级，并不是继承关系。  
    ![在这里插入图片描述][a2c9d4ea43214b35bc9a502a5d800949.png]
 *  启动类加载器使用C++编写，没有上级类加载器
 *  **应用程序类加载器的parent父类加载器是扩展类加载器，而扩展类加载器的parent是空**。扩展类加载器（Extension ClassLoader）在类加载过程中会委托给启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）。这是因为Java的类加载器遵循所谓的"双亲委派模型"。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>  <img src="https://img-blog.csdnimg.cn/5a2a3eb52de247d7afb5bd2c705fa367.png">图1 真实的父类关系 </td> 
   <td>  <img src="https://img-blog.csdnimg.cn/24657015599d45d586157bf815db644b.png">图2 双亲委派机制中的逻辑关系 </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  尽管在类加载器的层次结构中，扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器，但实际上，在类的加载过程中，应用类加载器的父类加载器是扩展类加载器，扩展类加载器没有父类加载器，但会委派给启动类加载器加载。这就是通常说扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。

>  *  类加载器的继承关系可以通过classloader –t 查看

*  双亲委派机制：**当一个类加载器收到类加载请求时，它并不会尝试立即加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器。这样，每个类加载请求都会传递到启动类加载器，只有当父类加载器无法处理这个请求时（例如，类不在它的搜索路径中），子类加载器才会尝试自己去加载。**
 *  双亲委派机制口诀：自底向上查找是否加载过，再由顶向下进行加载。  
    ![在这里插入图片描述][07bc1349cd41400fb02026873c65b7ad.png]  
    ![在这里插入图片描述][7f44ee2bd7dc4cb1958c2d52d6357a75.gif_pic_center]

![请添加图片描述][0203ecd6f72841cf9db9a19a4f72f638.png]  
![在这里插入图片描述][316b5979e43c4189a4ba4a17c7769b47.png]

### 解决三个问题 ###

1.  重复的类：如果一个类重复出现在三个类加载器的加载位置，应该由谁来加载？
    
     *  启动类加载器加载，根据双亲委派机制，它的优先级是最高的
2.  String类覆盖问题：在自己的项目中去创建一个java.lang.String类，会被加载吗？
    
     *  不能，会交由启动类加载器加载在rt.jar包中的String类
3.  类加载器的关系：这几个类加载器彼此之间存在关系吗？
    
     *  应用类加载器的父类加载器是扩展类加载器，扩展类加载器没有父类加载器，但是会委派给启动类加载器加载

## 打破双亲委派机制 ##

*  打破双亲委派机制的三种方式

1.  自定义类加载器
    
     *  自定义类加载器并且重写loadClass方法，就可以将双亲委派机制的代码去除
2.  线程上下文类加载器
    
     *  Tomcat通过这种方式实现应用之间类隔离
3.  Osgi框架的类加载器
    
     *  历史上Osgi框架实现了一套新的类加载器机制，允许同级之间委托进行类的加载

### 自定义类加载器 ###

*  一个Tomcat程序中是可以运行多个Web应用的，如果这两个应用中出现了相同限定名的类，比如Servlet类，Tomcat要保证这两个类都能加载并且它们应该是不同的类。
 *  如果不打破双亲委派机制，当应用类加载器加载Web应用1中的MyServlet之后，Web应用2中相同限定名的MyServlet类就无法被加载。  
    ![在这里插入图片描述][afc04f8e902e4f9a84aea80cc215a237.png]
 *  Tomcat使用了自定义类加载器来实现应用之间类的隔离。每一个应用会有一个独立的类加载器加载对应的类。  
    ![在这里插入图片描述][459a8cb5381742e1b614e4fcd532b3e1.png]

--------------------

1.  先来分析ClassLoader的原理，ClassLoader中包含了4个核心方法
2.  双亲委派机制的核心代码就位于loadClass方法中  
    ![在这里插入图片描述][1876586d0ba848fabdeffec89e10dad1.png]

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        
        return this.loadClass(name, false); //resolve
    }
    
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        
        //加锁 保证只有一个线程加载类
        synchronized(this.getClassLoadingLock(name)) {
        
            //查询当前类加载器是否加载过需要的类，true 返回类对象 否则，返回null
            Class<?> c = this.findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
        
                long t0 = System.nanoTime();
    			//向逻辑父类委派加载任务
                try {
        
                    //直到委派到顶级父类——Extension，进入else分支
                    if (this.parent != null) {
        
                        c = this.parent.loadClass(name, false);
                    } else {
        
                        //调用启动类加载器，进行加载，无法加载返回null
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException var10) {
        
                }
    			//所有类加载器加载失败，使用本类加载器进行加载
                if (c == null) {
        
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = this.findClass(name);
                    PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
    
            if (resolve) {
        
                this.resolveClass(c);
            }
    
            return c;
        }
    }
    
    final Class<?> loadClass(Module module, String name) {
        
        synchronized(this.getClassLoadingLock(name)) {
        
            Class<?> c = this.findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
        
                c = this.findClass(module.getName(), name);
            }
    
            return c != null && c.getModule() == module ? c : null;
        }
    }
    //读取二进制数据
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
    
    protected Class<?> findClass(String moduleName, String name) {
        
        if (moduleName == null) {
        
            try {
        
                return this.findClass(name);
            } catch (ClassNotFoundException var4) {
        
            }
        }
    
        return null;
    }
    //类名校验 将字节码信息加载到虚拟机内存中
    protected final Class<?> defineClass(byte[] b, int off, int len) throws ClassFormatError {
        
        return this.defineClass((String)null, b, off, len, (ProtectionDomain)null);
    }
    
    protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) throws ClassFormatError {
        
        return this.defineClass(name, b, off, len, (ProtectionDomain)null);
    }
    
    protected final void resolveClass(Class<?> c) {
        
        if (c == null) {
        
            throw new NullPointerException();
        }
    }

*  阅读双亲委派机制的核心代码，分析如何通过自定义的类加载器打破双亲委派机制
 *  打破双亲委派机制的核心就是将下边这一段代码重新实现

//parent等于null说明父类加载器是启动类加载器，直接调用findBootstrapClassOrNull
    //否则调用父类加载器的加载方法
    if (parent != null) {
        
    	 c = parent.loadClass(name, false);
     } else {
        
    	 c = findBootstrapClassOrNull(name);
     }
    //父类加载器爱莫能助，我来加载！
    if (c == null) 
    	 c = findClass(name);

### 案例演示 ###

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
        
    
        public CustomClassLoader(ClassLoader parent) {
        
            super(parent);
        }
    
        @Override
        public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        
            
            // 简单的例子, 只处理自定义的类
            if (name.startsWith("com.mydomain")) {
        
                return findClass(name);
            }
    
            // 其他的类还是采用双亲委派机制加载
            return super.loadClass(name);
        }
    
        @Override
        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        
            try {
        
                byte[] bytes = loadClassData(name);
                return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
            } catch (IOException e) {
        
                throw new ClassNotFoundException("Cannot load class " + name, e);
            }
        }
    
        private byte[] loadClassData(String name) throws IOException {
        
            // 根据类名加载类的二进制数据. 假设所有类都在一个固定的目录下
            Path path = Paths.get("classes", name.replace('.', '/') + ".class");
            return Files.readAllBytes(path);
        }
    
    }

1.  **自定义类加载器默认父类是AppClassLoader**  
    ![1d7ed319e2b047d78603ef6771915d5b.png][]

*  以Jdk8为例，ClassLoader类中提供了构造方法设置parent的内容  
    ![在这里插入图片描述][fb63ede8a185456f93537b6a2980baac.png]
 *  这个构造方法由另外一个构造方法调用，其中父类加载器由getSystemClassLoader方法设置，该方法返回的是AppClassLoader。  
    ![在这里插入图片描述][f5afb86ab8ca49b6bdd9ff31a47a362b.png]
 *  **两个自定义类加载器加载相同限定名的类，不会冲突**
    
     *  在同一个Java虚拟机中，只有相同类加载器+相同的类限定名才会被认为是同一个类

--------------------

*  **正确的去实现一个自定义类加载器的方式是重写findClass方法，这样不会破坏双亲委派机制**  
    ![在这里插入图片描述][2d0b8771e99b4f98a7e0aa6b760947ff.png]

### 线程上下文类加载器 ###

*  利用上下文类加载器加载类，比如JDBC和JNDI等
 *  JDBC中使用了DriverManager来管理项目中引入的不同数据库的驱动，比如mysql驱动、oracle驱动。  
    ![在这里插入图片描述][eb8ed20f3f9142e3a4deb98611232208.png]

1.  DriverManager类位于rt.jar包中，由启动类加载器加载  
    ![在这里插入图片描述][20099005aab24e30bfe8d4a139db70b2.png]
2.  依赖中的mysql驱动对应的类，由应用程序类加载器来加载。  
    ![在这里插入图片描述][d0fd3812ed084e77a49bf81632e00e3e.png]

*  **DriverManager属于rt.jar是启动类加载器加载的。而用户jar包中的驱动需要由应用类加载器加载，这就违反了双亲委派机制**  
    ![在这里插入图片描述][bd57aed872a94910a704535e19e04d0a.png]
 *  DriverManage使用SPI机制，最终加载jar包中对应的驱动类  
    ![在这里插入图片描述][8f83d6334b874a578ddacde370843483.png]
 *  SPI中获取到应用程序类加载器
    
     *  SPI中使用了线程上下文中保存的类加载器进行类的加载，这个类加载器一般是应用程序类加载器  
        ![在这里插入图片描述][5a800723160c4641a4f3f365e7ef570f.png]

### 案例梳理 ###

⚫1. 启动类加载器加载DriverManager。  
⚫ 2. 在初始化DriverManager时，通过SPI机制加载jar包中的myql驱动。  
⚫ 3. SPI中利用了线程上下文类加载器（应用程序类加载器）去加载类并创建对象。

>  *  **由启动类加载器加载的类，委派应用程序类加载器去加载类的方式，打破了双亲委派机制**  
>     ![在这里插入图片描述][1085d6229b404dfe80b24970bc83123d.png]  
>     ![在这里插入图片描述][d43858a3a83d48148d406f2d128f1bff.png]  
>     ![在这里插入图片描述][125b0dfea5fa41cf9761b92e150d6cff.png]

### OSGi模块化 ###

*  OSGi模块化框架。它存在同级之间的类加载器的委托加载。OSGi还使用类加载器实现了热部署的功能。
 *  热部署指的是在服务不停止的情况下，动态地更新字节码文件到内存中  
    ![在这里插入图片描述][bb9d9bd910df4a6381a1e8949049ee8c.png]

[b5779ac60334477c9a400e063750ac17.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/19/fd837639326f44acabd59cadf773175f.png
[e5aaa3d278c64f3cb91958dbf6473fd8.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/19/d1ff09cac7ee4d6082e49058950cf51b.png
[a1d3114f7014448b85101c6a179d4e6e.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/19/128dd24baf9449468ca15f6da7cd4616.png
[-]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/19/aae891e83ef34240bbfdea7d4e67daa0.png
[23c53d0a22884b64b5bf26c9b3efeaf6.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/19/cd20c11827fb423787c566bb6f326ef9.png
[Arthas]: https://arthas.aliyun.com/doc/classloader.html
[68c7026404ef413d89abe7ca1bf84490.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/19/1b1172ee9eab47f3add27ccecb04b820.png
[0d088597283c495ebb0f475effe0ea46.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/19/644252d13c8946a6a72507f346815ad4.png
[2cda5bd3f58d4935820934825a7d10c0.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/19/2ee5f8f28f4c4db9b2fbf85fdec3e471.png
[be6710824ac84eb3bcd0438fa265d834.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/19/0fe333b223034a17bd7ddd2f0bc121e6.png
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