JVM类加载机制
转自https://blog.csdn.net/qq_2709919/article/details/79966445
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。
通过Java命令执行代码的大体流程如下：
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
虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
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
链接 : 验证 -> 准备 -> 解析
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
在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类 加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务等同于把 一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。
这个步骤有两个问题：
1.如何划分内存。
2.在并发情况下， 可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。
划分内存的方法：
-
“指针碰撞”（Bump the Pointer）(默认用指针碰撞)
如果Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。
-
“空闲列表”（Free List）
如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例， 并更新列表上的记录
解决并发问题的方法：
-
CAS（compare and swap）
虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性来对分配内存空间的动作进行同步处理。
-
本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）
把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存。
通过-XX:+UseTLAB参数来设定虚拟机是否使用TLAB(JVM会默认开启-XX:+UseTLAB)，-XX:TLABSize 指定TLAB大小。
特殊情况
public static int value = 1;
// value在准备阶段过后的初始值为0而不是1,而把value赋值的public static指令将在初始化阶段才会被执行。
//特殊情况：
public static final int value = 1; //此时准备赋值为1
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。
每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中（位于方法区），该栈帧所属方法的引用，以支持方法调用过程中的动态连接。在源文件被编译成.Class文件后，.Class文件中常量池存有大量的符号引用。字节码指令进行方法调用时，会以指向方法的符号引用作为参数。这些符号引用一部分在类加载或第一次使用时转化为直接引用，称为静态解析。而另一部分将在每一次运行期间转化为直接引用，称为动态连接。
设置对象头
初始化零值之后，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头Object Header之中。
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，执行类构造器初始化方法。
32位对象头
64位对象头
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; //B不会加载，除非这里执行 new 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************");
}
}
运行结果：
*************load TestDynamicLoad************
*************load A************
*************initial A************
*************load test************
类加载与创建对象是同时的?
不一定,当类还没有加载的时候;访问这个类的静态变量就只加载而不会创建对象,当通过new指令时加载的同时创建对象
类加载器
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
- 引导类加载器(c++底层实现)：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(ExtClassLoader)：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(AppClassLoader)：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"));
}
}
运行结果：
null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader
the bootstrapLoader : null
the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@3764951d
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@14dad5dc
bootstrapLoader加载以下文件：
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/resources.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/rt.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jsse.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jce.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/charsets.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jfr.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/classes
extClassloader加载以下文件：
D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
appClassLoader加载以下文件：
D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\charsets.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\deploy.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\access-bri......
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。
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
}
双亲委派机制
JVM类加载器是有亲子层级结构的，如下图
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。
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
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。
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 首先，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) { //如果当前加载器的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;
}
}
protected Class<?> findClass(final String name)
throws ClassNotFoundException
{
final Class<?> result;
try {
result = AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction<Class<?>>() {
public Class<?> run() throws ClassNotFoundException {
String path = name.replace('.', '/').concat(".class");
Resource res = ucp.getResource(path, false);
if (res != null) {
try {
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;
}
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**************");
}
}
运行结果：
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，还有一个方法是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。
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();
}
}
}
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");
//D盘创建 test/com/tuling/jvm 几级目录，将User类的复制类User1.class丢入该目录
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());
}
}
运行结果：
=======自己的加载器加载类调用方法=======
com.tuling.jvm.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);
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("D:/test");
//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());
}
}
运行结果：
java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:659)
at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:758)
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。
模拟实现Tomcat的webappClassLoader加载自己war包应用内不同版本类实现相互共存与隔离
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();
//非自定义的类还是走双亲委派加载
if (!name.startsWith("com.tuling.jvm")){
c = this.getParent().loadClass(name);
}else{
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("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());
System.out.println();
MyClassLoader classLoader1 = new MyClassLoader("D:/test1");
Class clazz1 = classLoader1.loadClass("com.tuling.jvm.User1");
Object obj1 = clazz1.newInstance();
Method method1= clazz1.getDeclaredMethod("sout", null);
method1.invoke(obj1, null);
System.out.println(clazz1.getClassLoader());
}
}
运行结果：
=======自己的加载器加载类调用方法=======
com.tuling.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader@266474c2
=======另外一个User1版本：自己的加载器加载类调用方法=======
com.tuling.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader@66d3c617
注意：同一个JVM内，两个相同包名和类名的类对象可以共存，因为他们的类加载器可以不一样，所以看两个类对象是否是同一个，除了看类的包名和类名是否都相同之外，还需要他们的类加载器也是同一个才能认为他们是同一个。
模拟实现Tomcat的JasperLoader热加载
原理：后台启动线程监听jsp文件变化，如果变化了找到该jsp对应的servlet类的加载器引用(gcroot)，重新生成新的JasperLoader加载器赋值给引用，然后加载新的jsp对应的servlet类，之前的那个加载器因为没有gcroot引用了，下一次gc的时候会被销毁。
补充：Hotspot源码JVM启动执行main方法流程
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