面试八股文之【JVM类加载机制】

崩天的勾玉

发布于 2021-12-20 16:28:04

2890

发布于 2021-12-20 16:28:04

文章被收录于专栏：崩天的勾玉崩天的勾玉

今天讲jvm的类加载器和类加载机制，包括双亲委派原则。

类加载器

类加载器自顶向下分为：

Bootstrap ClassLoader启动类（引导类）加载器：默认会去加载JAVA_HOME/lib目录下的jar。使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部。它用来加载Java的核心库（String类……）（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resource.jar或sun.boot.class.path路径下的内容）,包括加载扩展类加载器和应用程序加载器。没有父加载器。出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类。
Extention ClassLoader扩展类加载器：默认去加载JAVA_HOME/lib/ext目录下的jar。Java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。派生于ClassLoader类。从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JAVA_HOME/jre/lib/ext子目录（扩展目录）下加载类库。如果用户创建的JAR放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载。
Application ClassLoader系统类（应用程序类）加载器：比如我们的web应用，会加载web程序中ClassPath下的类。java语言编写，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。它负责加载环境变量classpath或系统属性 java.class.path指定路径下的类库对于用户自定义类来说：默认使用系统类加载器进行加载通过 ClassLoader.getSystemClassLoader() 方法可以获取到该类加载器
User ClassLoader用户自定义类加载器：由用户自己定义

只有被同一个类加载器实例加载并且文件名相同的class文件才被认为是同一个class

当我们在加载类的时候，首先都会向上询问自己的父加载器是否已经加载，如果没有则依次向上询问，如果没有加载，则从上到下依次尝试是否能加载当前类，直到加载成功。

Java的加载机制是双亲委派机制来加载类，为什么要使用这种方式？这个是为了保证【如果加载的类是一个系统类，那么会优先由Bootstrap ClassLoader 、Extension ClassLoader先去加载，而不是使用我们自定义的ClassLoader去加载，保证系统的安全】

执行java程序时，会启动一个JVM进程，JVM在启动时会做一些初始化操作，比如获取系统参数等等，然后创建一个启动类加载器，用于加载JVM运行时必须的一些类到内存中，同时也会创建其他两个类加载器扩展类加载器和系统类加载器。

自定义类加载器

为什么要自定义ClassLoader？

（1）隔离加载类：在某些框架内进行中间件与应用的模块隔离，把类加载到不同的环境。比如，某容器框架通过自定义类加载器确保应用中依赖的jar包不会影响到中间件运行时使用的jar包。（jar包之间的冲突的消除）

（2）修改类加载方式：类的加载模型并非强制，除Bootstrap外，其它的加载并非一定要引入，或者根据实际情况在某个时间点进行按需动态加载。

（3）扩展加载源：比如从数据库、网络，甚至是电视机机顶盒进行加载。

（4）防止源码泄露。java代码容易被编译和篡改，可以进行编译加密。那么类加载器也需要自定义，还原加密的字节码。

怎么做？

步骤：继承ClassLoader，重写findClass()方法，调用defineClass()方法。

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {

 @Override
 protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
  try {
   byte[] result = getClassFromCustomPath(name);
   if(result == null) {
    throw new FileNotFoundException();
   } else {
    return defineClass(name, result, 0, result.length );
   }
  } catch(Exception e) {
   e.printStackTrace();
  }
  throw new ClassNotFoundException(name);
 }

 private byte[] getClassFromCustomPath(String name) {
  // 从自定义路径中加载指定类
  return null;
 }

 public static void main(String[] args) {
  // TODO Auto-generated method stub
  CustomClassLoader customClassLoader = new CustomClassLoader();
  System.out.println(customClassLoader);
  try {
   Class<?> clazz = Class.forName("One", true, customClassLoader);
   Object obj = clazz.newInstance();
   System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
  } catch(Exception e) {
   e.printStackTrace();
  } 
 }
}

理论执行结果：classloader.CustomClassLoader@5e481248

类加载过程

首先是加载过程（Loading），它是 Java 将字节码数据从不同的数据源读取到 JVM 中，并映射为 JVM 认可的数据结构（Class 对象），这里的数据源可能是各种各样的形态，比如 jar 文件，class 文件，甚至是网络数据源等；如果输入数据不是 ClassFile 的结构，则会抛出 ClassFormatError。加载阶段是用户参与的阶段，我们可以自定义类加载器，去实现自己的类加载过程。

第二阶段是连接（Linking），这是核心的步骤，简单说是把原始的类定义信息平滑地转入 JVM 运行的过程中。这里可进一步细分成三个步骤：

1，验证（Verification），这是虚拟机安全的重要保障，JVM 需要核验字节信息是符合 Java 虚拟机规范的，否则就被认为是 VerifyError，这样就防止了恶意信息或者不合规信息危害 JVM 的运行，验证阶段有可能触发更多 class 的加载。

2，准备（Pereparation），创建类或者接口中的静态变量，并初始化静态变量的初始值。但这里的“初始化”和下面的显示初始化阶段是有区别的，侧重点在于分配所需要的内存空间，不会去执行更进一步的 JVM 指令。

3，解析（Resolution），在这一步会将常量池中的符号引用（symbolic reference）替换为直接引用。在 Java 虚拟机规范中，详细介绍了类，接口，方法和字段等各方面的解析。

最后是初始化阶段（initialization），这一步真正去执行类初始化的代码逻辑，包括静态字段赋值的动作，以及执行类定义中的静态初始化块内的逻辑，编译器在编译阶段就会把这部分逻辑整理好，父类型的初始化逻辑优先于当前类型的逻辑。再来谈谈双亲委派模型，简单说就是当加载器（Class-Loader）试图加载某个类型的时候，除非父类加载器找不到相应类型，否则尽量将这个任务代理给当前加载器的父加载器去做。使用委派模型的目的是避免重复加载 Java 类型。

双亲委派

Java的加载机制是双亲委派机制来加载类，为什么要使用这种方式？这个是为了保证【如果加载的类是一个系统类，那么会优先由Bootstrap ClassLoader 、Extension ClassLoader先去加载，而不是使用我们自定义的ClassLoader去加载，保证系统的安全！】

就是当前类加载器(以系统类加载器为例)在加载一个类时，委托给其双亲（注意这里的双亲指的是类加载器中parent属性指向的类加载器）先进行加载。双亲类加载器在加载时同样委托给自己的双亲，如此反复，直到某个类加载器没有双亲为止（通常情况下指双亲为null，也即为当前的双亲为扩展类加载器，其parent为启动类加载器），然后开始在依次在各自的类路径下寻找、加载class类。

如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行；如果父类加载器还存在器父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，最终到达顶层的引导类加载器；如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，如果父类无法完成加载，子类加载器才会去加载，这就是双亲委派模式。

优点：