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; 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(); } }
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，下节课会讲到动态链接
- 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() } } 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************"); } } 运行结果： *************load TestDynamicLoad************ *************load A************ *************initial A************ *************load test************
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
看一个类加载器示例：
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： null sun.misc.Launcher$ExtClassLoader sun.misc.Launcher$AppClassLoader the bootstrapLoader : null the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@3764951d the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@14dad5dc bootstrapLoader加载以下文件： file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/resources.jar file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/rt.jar file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/sunrsasign.jar file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jsse.jar file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jce.jar file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/charsets.jar file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jfr.jar file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/classes extClassloader加载以下文件： D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext appClassLoader加载以下文件： D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\charsets.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\deploy.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\cldrdata.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\dnsns.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\jaccess.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\jfxrt.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\localedata.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\nashorn.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunec.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\zipfs.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\javaws.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jce.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jfr.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jfxswt.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jsse.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\management-agent.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\plugin.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\resources.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\rt.jar;D:\ideaProjects\project-all\target\classes;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\apache\zookeeper\zookeeper\3.4.12\zookeeper-3.4.12.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\slf4j\slf4j-api\1.7.25\slf4j-api-1.7.25.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\slf4j\slf4j-log4j12\1.7.25\slf4j-log4j12-1.7.25.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\log4j\log4j\1.2.17\log4j-1.2.17.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\jline\jline\0.9.94\jline-0.9.94.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\apache\yetus\audience-annotations\0.5.0\audience-annotations-0.5.0.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\io\netty\netty\3.10.6.Final\netty-3.10.6.Final.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\guava\guava\22.0\guava-22.0.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\code\findbugs\jsr305\1.3.9\jsr305-1.3.9.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\errorprone\error_prone_annotations\2.0.18\error_prone_annotations-2.0.18.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\j2objc\j2objc-annotations\1.1\j2objc-annotations-1.1.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\codehaus\mojo\animal-sniffer-annotations\1.14\animal-sniffer-annotations-1.14.jar;D:\dev\IntelliJ IDEA 2018.3.2\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。
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。
//Launcher的构造方法 public Launcher() { Launcher.ExtClassLoader var1; try { //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 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，在构造的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我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"); 。。。 。。。 //省略一些不需关注代码 }
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。
//ClassLoader的loadClass方法，里面实现了双亲委派机制 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // 检查当前类加载器是否已经加载了该类 Class<?> c = findLoadedClass(name); if (c == null) { long t0 = System.nanoTime(); try { 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 c = parent.loadClass(name, false); } 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 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) { //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：
package java.lang; public class String { public static void main(String[] args) { System.out.println("**************My String Class**************"); } } 运行结果： 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; } 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:/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.tuling.jvm.User1"); 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： =======自己的加载器加载类调用方法======= com.tuling.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader
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; } protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { try { byte[] data = loadByte(name); return defineClass(name, data, 0, data.length); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); throw new ClassNotFoundException(); } } /** * 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(); 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 { MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test"); //尝试用自己改写类加载机制去加载自己写的java.lang.String.class 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： java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:659) at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:758)
