从JDK源码级别彻底刨析JVM类加载机制

会呼吸的Coder

发布于 2022-06-13 14:36:26

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发布于 2022-06-13 14:36:26

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“ 当我们用java命令运行某个类的main函数启动程序时，大家有没有想过是怎样加载的，本文将带着大家一起探讨JVM类的加载机制”

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类加载运行全过程

请看下方代码：

package com.bethmeta.jvm;
public class Math {
    public static final int initData = 666;
    public static User user = new User();
    public int compute() { //一个方法对应一块栈帧内存区域
         int a = 1;
         int b = 2;
         int c = (a + b) * 10;
         return c;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Math math = new Math();
        math.compute();
    }
}

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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: 在硬盘上查找并通过IO读取字节码文件，使用到类时才会加载，例如调用类main()方法,new对象等，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
校验：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，（动态链接后面再聊）
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。

注意：主类在运行过程中如果使用到其他类，会逐步加载这些类。

jar包和war包的类不是一次性全部加载的，是使用时才加载的，不然我们引入那么多第三方包，如果一次性加载完毕，这个工作量势必很大。

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类加载器源码解析

上文中类加载过程主要是通过类加载器实现的，在java中主要有四种类加载器

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，主要就是加载我们自己写的那些类
自定义加载器：负责加载用户自定义路径下的类包

类加载器初始化过程：

参考类运行加载全过程图可知，首先会创建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()方法返回类加载器AppClassLoader的实例加载我们的应用程序.

其源码如下：

public Launcher() {
        Launcher.ExtClassLoader var1;
        try {
        //构造扩展类加载器，在构造的过程中将父加载器设置为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偶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");
      //省略其他代码

    }

注意：AppClassLoader父加载器是ExtClassLoader，但是其继承的类却是URLClassLoader，ExtClassLoader也是同样道理

下面我们看一个类加载器示例：

package com.bethmeta.jvm;
public class TestJDKClassLoader {
    public static void main(String[] args) {
        // 核心类库
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        //额外类库
        System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());
        //自己写的类
        System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

上述代码打印结果如下：

会很明显的看到核心类库加载为null，这是因为引导类加载器是c++实现的，JAVA无法获取到他相关信息。

接下来我们看一下这三个加载器都加载了哪些类。执行下方代码：

bootstrapLoader加载以下文件：
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_291/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_291/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_291/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_291/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_291/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_291/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_291/jre/lib/jfr.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_291/jre/classes
extClassloader加载以下文件：
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\ext;C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext
appClassLoader加载以下文件：
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\deploy.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\ext\cldrdata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\ext\jaccess.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\ext\jfxrt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\ext\localedata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\ext\nashorn.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\ext\sunec.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\ext\zipfs.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\javaws.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\jfr.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\jfxswt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\management-agent.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\plugin.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291\jre\lib\rt.jar;D:\java\demo1\target\classes;D:\tools\IntelliJ IDEA 2021.1.3\lib\idea_rt.jar

如果有仔细看过会发现：AppClassLoader在打印的时候，也同样打印了引导类加载器加载的类，难道说同一个类，会被不同的类加载多次吗？当然，答案肯定是不会的，同一个类只会被加载一次，appClassLoader只是找到了这些类，但是并没有执行加载操作，加载过程还是由引导类加载器完成的。关于这一点，就要不得不提双亲委派机制了。

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双亲委派机制

JVM类加载器的亲子层级结构如下：

这里的类加载其实就是有一个双亲委派机制。加载某个类的时候，首先会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下查找并载入目标类。

比如我们开头下的math类，最先会找到应用程序类加载器加载。应用程序类加载器会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找了半天没有找到math类，再向下退回加载math类的请求，扩展类加载器收到回复就自己加载，如果它也找不到，则回退给应用程序加载器，应用程序加载器在自己的类加载路径找到math类，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

我们来看下应用程序类加载器AppClassLoader加载器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，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boostrap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。

双亲委派实现如下：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
    //首先检查一下该类是否已经加载过了
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
             //如果没有加载过
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                //判断是否有父加载器，有的话调用父加载器d额loadclass方法
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                    //没有则直接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;
        }
    }

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，这样可防止核心API库被随意篡改(假如你写了一个java.lang.String.class类，引导类加载器在加载器中找到的是核心类库的java.lang.String.class，而不是我们自己写的这个)
避免类的重复加载：当父亲已经加载了该类，就没有必要再由子ClassLoader再加载一次，保证被加载类的唯一性。

全盘负责委托机制：

全盘负责委托是指，当一个类加载器装载一个类时，除非显式的指定另一个类加载器，否则该类所有的依赖和引用类都由该类加载器加载。

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原始发表：2022-05-08，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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