一、类加载运行全过程
public class Math {
public static final int initData = 666;
public static User user = new User();
public int compute() {
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();
}
}
loadClass的类加载过程：
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类对象java.lang.Class，作为方法区类的各种数据的访问入口
- 验证：校验字节码准确性
- 准备：给类的静态变量分配内存，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()）替换为指向数据所存内存的指针或句柄等（直接引用），这就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将符号引用替换为直接引用的过程。
- 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。
类被加载到方法区后，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：这个类的类加载器实例的引用。
对应class实例的引用：类加载器在加载类后，会生成一个对应的Class类型的对象放在堆中，作为开发人员方位方法区中类定义的入口。
二、类加载器介绍
Java里有如下几种类加载器
- 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，就是我们平常自己写的那些类
- 自定义类加载器：负责加载自定义路径下的类包
public class TestClassLoader {
public static void main(String[] args) {
// 引导类加载器
System.out.println(Object.class.getClassLoader());
// 扩展类加载器
System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());
// 应用程序类加载器
System.out.println(TestClassLoader.class.getClassLoader());
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"));
}
}
null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
the bootstrapLoader : null
the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4b67cf4d
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
bootstrapLoader加载以下文件：
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/jfr.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_202/jre/classes
extClassloader加载以下文件：
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
appClassLoader加载以下文件：
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\deploy.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\cldrdata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\jaccess.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\jfxrt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\localedata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\nashorn.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\sunec.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\zipfs.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\javaws.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\jfr.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\jfxswt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\management-agent.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\plugin.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\rt.jar;D:\WorkSpace\jvm-demo\target\classes;E:\IntelliJ IDEA 2021.1.3\lib\idea_rt.jar
三、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，创建了两个类加载器，ExtClassLoader（扩展类加载器）、AppClassLoader（应用程序类加载器），
JVM默认使用Launcher类的getClassLoader()方法返回AppClassLoader类加载器实例，加载我们的应用程序。
public Launcher() {
Launcher.ExtClassLoader var1;
try {
// 创建扩展类加载器，内部初始化时，其父类加载器（引导类加载器）设置为null
var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
} catch (IOException var10) {
throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
}
try {
// 创建应用程序类加载器，初始化时，其父类加载器设置为ExtClassLoader
this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
} catch (IOException var9) {
throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
}
Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
.....
}
注：各加载器之间不是继承关系，父类加载器是当前类加载器中的一个属性引用，private final ClassLoader parent;
四、双亲委派机制
双亲委派机制
类加载有一个双亲委派机制，加载某个类时，当前类加载器会向上委托其父加载器区查找、加载，父加载器找不到再继续向上委托，直到引导类加载器。父加载器找不到时，再返回到当前类加载器，在自己的类加载路径下查找，加载类。
比如我们自己写的Math类，首先应用程序类加载器加载，应用程序类加载器会先委托其父加载器扩展类加载器加载，扩展类加载器又委托引导类加载器加载。引导类加载器在自己类加载路径下找不到，退回到扩展类加载器在自己类路径下加载，扩展类加载器也找不到Math类，就退回到应用程序类加载器加载，最终在应用程序类加载器的类加载路径中找到Math类，加载成功。
loadClass方法代码：
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// First, check if the class has already been loaded
// 先检查当前类是否已经被加载
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
if (parent != null) {
// 父加载器不为空，位图父加载器区加载，调用loadClass方法，还是会进入到这个这个方法来
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
// 如果父加载器为空，说明已经到最顶层，引导类加载器来加载
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;
}
}
为什么设计双亲委派机制？
- 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：当父类已经加载时，就没必要子加载器再加载一次，保证被加载的类唯一性。
示例：
package java.lang;
public class String {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("测试类路径相同的类是否会被重复加载");
}
}
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
自定义类加载器需要实现ClassLoader，该类有两个核心方法，loadClass(String name)，此方法实现了双亲委派机制，还一个findClass(String name)默认空实现，自定义类加载器主要是重写findClass(String name)方法，我们只需要实现这个方法即可。
自定义类加载器代码示例
import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;
public class MyClassLoader extends ClassLoader{
/**
* 类加载路径
*/
private String classPath;
public MyClassLoader(String classPath) {
this.classPath = classPath;
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 初始化类加载器，指定类加载路径
MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader("D:/test");
//D盘创建 test/org/example 几级目录，复制User.java类为User1.java，编译出来class文件后，放到该目录下，删除原来的User1.java 和 User1.class
Class<?> userClass = myClassLoader.loadClass("org.example.User1");
Object obj = userClass.newInstance();
Method method = userClass.getDeclaredMethod("testLoaded", null);
method.invoke(obj, null);
// 注意，打印出来的类加载器名称为自定义类加载器名称才算成功
System.out.println(userClass.getClassLoader().getClass().getName());
}
/**
* 自定义类加载器，需要实现findClass方法
* @param name 类的全限定名
* @return 返回加载类的Class对象
* @throws ClassNotFoundException
*/
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
byte[] data = loadByte(name);
// 调用CLassLoader的方法，将读取到的class文件的字节数组转换为Class对象
return defineClass(name, data, 0, data.length);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
throw new ClassNotFoundException();
}
}
/**
* 从类加载路径下找到需要的字节码文件，读取文件转换为自己数组
* @param name 类的全限定名
* @return
* @throws Exception
*/
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;
}
}
运行结果：
=======自定义类加载器加载成功=======
loader.MyClassLoader
付User.java代码：
public class User {
private int id;
private String name;
public User() {
}
public User(int id, String name) {
super();
this.id = id;
this.name = name;
}
public int getId() {
return id;
}
public void setId(int id) {
this.id = id;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public void testLoaded() {
System.out.println("=======自定义类加载器加载成功=======");
}
}
Tomcat打破双亲委派机制
Tomcat是个WEB容器，主要解决一下几个问题：
- 1、一个WEB容器可能会部署多个应用程序，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，因此要保证每个程序都是独立的，保证相互隔离。
- 2、部署在同一个web容器中的相同类库的相同版本可以共享。否则若部署多个程序，那么会有多个相同的类库加载进虚拟机。
- 3、web容器也有自己的类库，不能与应用程序类库混淆。基于安全考虑，应该让容器的类库和应用程序的类库隔离开。
- 4、JSP文件最终也是要编译成Class文件才能在虚拟中运行，web容器要支持JSP文件修改，且修改后不能重启。
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，使用默认类加载器无法解决上述1、3、4问题。
- 1、如果使用默认的类加载器，那么是无法加载两个相同类库不同版本的，因为默认类加载器只认类的全限定名，不管版本内容，只会加载一份。
- 3、和问题1一样。
- 4、如何实现JSP的热加载？JSP修改后，class的类名还是一样，类加载器中已经加载过不会再加载，此时可以卸载jsp的类加载器。每个JSP都有一个对应的类加载器，当jsp文件有修改，直接卸载这个类加载器，重新创建类加载器，加载修改后的JSP文件。
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。
打破双亲委派机制示例
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 初始化类加载器，指定类加载路径
MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader("D:/MyClassLoader");
//D盘创建 MyClassLoader/org/example 几级目录，将User类的User.class丢入该目录
Class<?> userClass = myClassLoader.loadClass("org.example.User1");
Object obj = userClass.newInstance();
Method method = userClass.getDeclaredMethod("testLoaded", null);
method.invoke(obj, null);
// 注意，打印出来的类加载器名称为自定义类加载器名称才算成功
System.out.println(userClass.getClassLoader());
System.out.println();
// 初始化类加载器，指定类加载路径
MyClassLoader loader = new MyClassLoader("D:/MyClassLoader2");
//D盘创建 MyClassLoader/org/example 几级目录，将User类的User.class丢入该目录
Class<?> userClass2 = loader.loadClass("org.example.User1");
Object obj2 = userClass2.newInstance();
Method method2 = userClass2.getDeclaredMethod("testLoaded", null);
method2.invoke(obj2, null);
// 注意，打印出来的类加载器名称为自定义类加载器名称才算成功
System.out.println(userClass2.getClassLoader());
}
/**
* 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("org.example")){
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;
}
}
输出：
=======自定义类加载器加载成功=======
loader.MyClassLoader@1b6d3586
=======另一个版本的User1=======
=======自定义类加载器加载成功=======
loader.MyClassLoader@1540e19d
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。