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。
package com.tuling.jvm;
/**
* Description: <br/>
*
* @Date: 2021/2/5 15:34<br/>
* @Author Cong ZhiZzhi<br/>
* @Version
* @Since JDK 1.8
*/
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();
}
}
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
- 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
- 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
-
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() 11 }
}
}
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************");
}
}
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
- 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
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:
D:\develop\jdk1.8.0_201\bin\java.exe "-javaagent:C:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2019.1.3\lib\idea_rt.jar=58231:C:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2019.1.3\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\charsets.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\deploy.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\cldrdata.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\dnsns.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\jaccess.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\jfxrt.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\localedata.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\nashorn.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\sunec.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\zipfs.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\javaws.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\jce.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\jfr.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\jfxswt.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\jsse.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\management-agent.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\plugin.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\resources.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\rt.jar;D:\codespace\jvm\target\classes;D:\develop\apache-maven-3.6.1\repository\log4j\log4j\1.2.17\log4j-1.2.17.jar;D:\develop\apache-maven-3.6.1\repository\org\projectlombok\lombok\1.16.18\lombok-1.16.18.jar com.tuling.jvm.TestJDKClassLoader
null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader
the bootstrapLoader : null
the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@5cad8086
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
bootstrapLoader加载以下文件:
file:/D:/develop/jdk1.8.0_201/jre/lib/resources.jar
file:/D:/develop/jdk1.8.0_201/jre/lib/rt.jar
file:/D:/develop/jdk1.8.0_201/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/D:/develop/jdk1.8.0_201/jre/lib/jsse.jar
file:/D:/develop/jdk1.8.0_201/jre/lib/jce.jar
file:/D:/develop/jdk1.8.0_201/jre/lib/charsets.jar
file:/D:/develop/jdk1.8.0_201/jre/lib/jfr.jar
file:/D:/develop/jdk1.8.0_201/jre/classes
extClassloader加载以下文件:
D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
appClassLoader加载以下文件:
D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\charsets.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\deploy.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\cldrdata.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\dnsns.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\jaccess.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\jfxrt.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\localedata.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\nashorn.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\sunec.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\ext\zipfs.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\javaws.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\jce.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\jfr.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\jfxswt.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\jsse.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\management-agent.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\plugin.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\resources.jar;D:\develop\jdk1.8.0_201\jre\lib\rt.jar;D:\codespace\jvm\target\classes;D:\develop\apache-maven-3.6.1\repository\log4j\log4j\1.2.17\log4j-1.2.17.jar;D:\develop\apache-maven-3.6.1\repository\org\projectlombok\lombok\1.16.18\lombok-1.16.18.jar;C:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2019.1.3\lib\idea_rt.jar
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。
sun.misc.Launcher初始化使用了单例模式设计,保证一个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()方法返回的类加载器AppClassLoader的实例加载我们 的应用程序。
1 //Launcher的构造方法
2 public Launcher() {
3 Launcher.ExtClassLoader var1;
4 try {
5 //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
6 var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
7 } catch (IOException var10) {
8 throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
9 }
10
11 try {
12 //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,
13 //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
14 this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
15 } catch (IOException var9) {
16 throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
17 }
18
19 Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
20 String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
21 。。。 。。。 //省略一些不需关注代码
22 }
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。
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引导类加载器,顶层引导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
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。
1 //ClassLoader的loadClass方法,里面实现了双亲委派机制
2 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
3 throws ClassNotFoundException
4 {
5 synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
6 // 检查当前类加载器是否已经加载了该类
7 Class<?> c = findLoadedClass(name);
8 if (c == null) {
9 long t0 = System.nanoTime();
10 try {
11 if (parent != null) { //如果当前加载器父加载器不为空则委托父加载器加载该类
12 c = parent.loadClass(name, false);
13 } 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
14 c = findBootstrapClassOrNull(name);
15 }
16 } catch (ClassNotFoundException e) {
17 // ClassNotFoundException thrown if class not found
18 // from the non‐null parent class loader
19 } 20
21 if (c == null) {
22 // If still not found, then invoke findClass in order
23 // to find the class.
24 long t1 = System.nanoTime();
25 //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
26 c = findClass(name);
27
28 // this is the defining class loader; record the stats
29 sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 ‐ t0);
30 sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
31 sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
32 }
33 }
34 if (resolve) { //不会执行
35 resolveClass(c);
36 }
37 return c;
38 }
39 }
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:
1package java.lang;
2
3 public class String {
4 public static void main(String[] args) {
5 System.out.println("**************My String Class**************");
6 }
7 }
8
9 运行结果:
10 错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
11 public static void main(String[] args)
12 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;
}
@Override
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:/codespace/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.congzhizhi.classloader.User");
Object obj = clazz.newInstance();
Method method = clazz.getDeclaredMethod("getName", null);
System.out.println(method.invoke(obj, null));
System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
}
}
打印结果
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;
}
@Override
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();
}
}
@Override
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 {
//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:/codespace/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("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
哈哈哈,想尝试加载JDK的类,歇着吧您内!
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。 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。
- 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 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());
}
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。
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