JDK源码级别彻底剖析JVM类加载机制

一. JDK源码级别彻底剖析JVM类加载机制

(1)类加载运行全过程

(2)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

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，下

节课会讲到动态链接

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

(3)类加载器和双亲委派机制
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
类加载器示例：

public class TestJDKClassLoader {
   public static void main(String[] args) {
	//引导类加载器 //null
	System.out.println(String.class.getClassLoader());//null
	//扩展类加载器 //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
	System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader());
	//应用程序类加载器 //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@2a139a55
	System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader());
	//各个类加载器的Parent父类加载[自定义加载类默认父加载类是appClassLoader]
	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);
   }
}
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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。
//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); 
   String var2 = System.getProperty("java.security.manager");  
   //省略一些不需关注代码  
  }
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双亲委派机制:
JVM类加载器是有亲子层级结构的，如下图

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

自定义类加载器示例：
自定义类加载器只需要继承 java.lang.ClassLoader 类，该类有两个核心方法，一个是 loadClass(String, boolean)，实现了双亲委派机制，
还一个方法是findClass，默认实现是空方法，所以我们自定义类加载器主要是重写findClass方法。
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

import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;
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)) { 
			Class<?> c = findLoadedClass(name);  
			if (c == null) {
				long t1 = System.nanoTime();  
				if(!name.startsWith("com.tuling.jvm")){
					c= this.getParent().loadClass(name);
				}else{
				    c = findClass(name);
				}
				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 {
		  //初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，其中会把自定义类加载器的父加载 器设置为应用程序类加载器AppClassLoader
		  MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test"); 
		  Class clazz = classLoader.loadClass("com.tuling.jvm.User1"); 
		  Object obj = clazz.newInstance();  
		  Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null); 
		  method.invoke(obj, null); 
		  System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName()); 
	  } 
	}
}
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