JVM类加载深度剖析

1、类加载过程

查看是否加载命令 VM options:-verbose:class

多个java文件经过编译打包生成可运行jar包，最终由java命令运行某个主类的main函数启
动程序，这里首先需要通过类加载器把主类加载到JVM。 主类在运行过程中如果使用到其它类，会逐步加载这些类。 注意，jar包里的类不是一次性全部加载的，是使用到时才加载。

类加载到使用整个过程有如下几步
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
  • 验证:校验字节码文件的正确性
    -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

  • 对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块


    image.png

2、类加载器和双亲委派机制

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

  • 启动类加载器: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

看一个类加载器示例:

1 publicclassTestJDKClassLoader{
2 public static void main(String[] args){
3 System.out.println(String.class.getClassLoader());
4 System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassL oader().getClass().getName());
5
System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().get Name());
6
System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader().getClass().getName()) 7}
8}
9
10 运行结果:
11 null//启动类加载器是C++语言实现，所以打印不出来 12 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
13 sun.misc.Launcher$AppClassLoader
14 sun.misc.Launcher$AppClassLoader

自定义一个类加载器示例:
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，大体逻辑

  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。
    还有一个方法是findClass，默认实现是抛出异常，所以我们自定义类加载器主要是重写findClass方法。

2
3
4
5
6 7} 8
9
10
11
12
13
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15
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17
18
19
20
{
21
22
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);
publicclassMyClassLoaderTest{
static class MyClassLoader extends ClassLoader { private String classPath;
public MyClassLoader(String classPath) { this.classPath = classPath;
//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。
24 return defineClass(name, data, 0, data.length);
25 } catch (Exception e) {
26 e.printStackTrace();
27 throw new ClassNotFoundException();
28 }
29 }
30
31 } 32
33 public static void main(String args[]) throws Exception {
34 MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
35 Class clazz = classLoader.loadClass("com.tuling.jvm.User1");
36 Object obj = clazz.newInstance();
37 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

双亲委派机制 JVM类加载器是有亲子层级结构的，如下图


image.png

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。 比如我们的Math类，最先会找应用程序类加载器加载，应用程序类加载器会先委托扩展类 加载器加载，扩展类加载器再委托启动类加载器，顶层启动类加载器在自己的类加载路径里 找了半天没找到Math类，则向下退回加载Math类的请求，扩展类加载器收到回复就自己加 载，在自己的类加载路径里找了半天也没找到Math类，又向下退回Math类的加载请求给应 用程序类加载器，应用程序类加载器于是在自己的类加载路径里找Math类，结果找到了就 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

  • 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:

packagejava.lang;
publicclassString{
public static void main(String[] args) { System.out.println("**************My String Class**************");
9 运行结果:
10 11 12
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

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

publicclassMyClassLoaderTest{
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;
 }
20
21 protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
22 try{
23 byte[] data = loadByte(name);
24 return defineClass(name, data, 0, data.length);
25 } catch (Exception e) {
26 e.printStackTrace();
27 throw new ClassNotFoundException();
28 }
29 }
30
31 /**
32 * 重写类加载方法，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载
33 * @param name
34 * @param resolve
35 * @return
36 * @throws ClassNotFoundException
37 */
38 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
39 throws ClassNotFoundException {
40 synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
41 // First, check if the class has already been loaded
42 Class<?> c = findLoadedClass(name);
43
44 if(c==null){
45 // If still not found, then invoke findClass in order
46 // to find the class.
47 long t1 = System.nanoTime();
48 c = findClass(name);
49
50 // this is the defining class loader; record the stats
51 sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
52 sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
53 }
54 if (resolve) {
55 resolveClass(c);
56 }
57 return c;
}
59 }
60 }
61
62 public static void main(String args[]) throws Exception {
63 MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
64 //尝试用自己改写类加载机制去加载自己写的java.lang.String.class
65 Class clazz = classLoader.loadClass("java.lang.String");
66 Object obj = clazz.newInstance();
67 Method method= clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
68 method.invoke(obj, null);
69 System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
70 }
71 }
72
73 运行结果:
74 java.lang.SecurityException:Prohibitedpackagename:java.lang
75 at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:659)
76 at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:758)

打破双亲委派
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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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


image.png

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

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。 我们前面说过，双亲委派机制要求除了顶层的启动类加载器之外，其余的类加载器都应当由 自己的父类加载器加载。
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。

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