JVM进阶调优系列(1)类加载器原理一文讲透

本文涉及的产品
云原生网关 MSE Higress,422元/月
注册配置 MSE Nacos/ZooKeeper,118元/月
服务治理 MSE Sentinel/OpenSergo,Agent数量 不受限
简介: 本文详细介绍了JVM类加载机制。首先解释了类加载器的概念及其工作原理,接着阐述了四种类型的类加载器:启动类加载器、扩展类加载器、应用类加载器及用户自定义类加载器。文中重点讲解了双亲委派机制,包括其优点和缺点,并探讨了打破这一机制的方法。最后,通过Tomcat的实际应用示例,展示了如何通过自定义类加载器打破双亲委派机制,实现应用间的隔离。

今天开始写JVM调优系列,并发编程系列也会继续穿插连载,让各位同学闲暇之余有更多阅读选择。


起笔写第一篇,并不好写。首先要构思整个系列的大概框架,一个好的框架一定是深度上由浅入深、逻辑上有严格顺序,读者订阅跟踪是顺畅舒服的感觉。而且广度上也要尽可能的的齐全,所以第一篇应该写什么呢?

.java文件如何运行?

java对象的创建流程和内存分配,生命周期是怎样?

jvm类加载器机制剖析?

jvm垃圾收集器有几种?

工作中的GC问题如何排查解决?

jvm工作实战案例xx分析?

....

思辨比较一番,其实不管从实战开笔、还是理论基础开局都要遵从由浅入深、文章内容连贯的出发点,决定保持和并发系列写作风格,结合实际实用案例代码到知识点,让文章阅读变得简单、有趣、实用!

整个系列框架大概是围绕JVM类加载器机制、内存模型JMM、对象生命周期管理、垃圾回收机制、GC实战进行展开。

一、类加载机制是什么?

    类加载机制,就是JVM进程通过类加载器classLoader将.class文件加载到内存解析、运行的过程。那.class文件如何被加载和运行的呢?

1.1 java代码是如何运行起来的?

1、首先.java文件,通过javac命令编译或者通过mvn打包变成jar、war包,java文件就变成.class文件。

2、然后运行.class文件,通过java -jar  xxx来运行。那具体的某个类class文件,什么时候被加载到jvm内存中?

比如以下代码,什么时候会加载User.class文件?当执行代码要用到这个类的时候就会被加载。

在执行Demo001ClassLoader的main方法时候,发现有调用getUser()方法,而方法里有实例化User类,这时候就会去加载User.class文件。


public class Demo001ClassLoader {
    public User getUser(String userName) {
        User user = new User(userName);
        return user;
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("类加载器机制");
        Demo001ClassLoader classLoader = new Demo001ClassLoader();
        classLoader.getUser("拉丁");
    }
}

jvm进程通过类加载器加载相关类的class文件到内存执行,这个时候就涉及要理解类加载器的机制。


二、有多少种类加载器?

2.1 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)

用来加载 Java 的核心类,java的核心类就是我们安装JDK的时候,包里面有个lib目录,里面的文件就是java的核心类库。


2.2 扩展类加载器(Extention ClassLoader)

扩展类加载器负责加载 JDK安装包lib 目录下还有一个ext 目录,这个ext目录下的或者被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径中的所有类库。


2.3 应用类加载器(Application ClassLoader)

负责在 JVM 启动时加载用户类路径上的指定类库,比如我们开发的java程序,就是由这个应用类加载器来加载。


2.4 用户自定义类加载器(User ClassLoader)

当上述 3 种类加载器不能满足需求时,我们可以继承 java.lang.ClassLoader 类,自定义一个类加载器。在自定义的累加器里如果想打破双亲委派机制,那么可以重写 loadClass 方法;如果不想打破双亲委派机制,那么只需要直接重写 findClass 方法即可。


三、具体说说双亲委派机制原理?

jvm收到一个类加载的请求,是如何安排的呢?四种类加载器,到底哪个类加载器会去加载?

jvm默认的加载机制就是双亲委派机制。这个机制,就是一个【父子层级结构关系】图。每个类加载器都有一个父加载器。

自定义类加载器的父加载器是【应用类加载器】。

应用类加载器的父加载器就是【扩展类加载器】。

扩展类加载器的父加载器就是【启动类加载器】。


双亲委派机制(实际就是父类委派)核心原理:一个类加载器收到一个类加载请求时,先委托父加载器去加载。如果父加载器还有父级,继续递归委托,请求最终到达最顶级加载器,也就是启动类加载器Bootstrap ClassLoader。

启动类加载器判断是否在自己的加载范围目录下,如果在就加载返回成功,不在的话就把加载任务下推交给下一级加载器-扩展类加载器,扩展类加载器也是类似如此。最后如果子类加载器本身也加载不到这个类就报ClassNotFoundException异常。


一句话:类加载任务先上推给父加载器,上推递归直到启动类加载器才开始尝试加载。如果启动类加载器加载不到该类,就开始下发分配给子类加载器。


再简单就是:类加载任务来了,先委派父级加载器去处理。父类加载器加载不到,自己才去加载。

四、双亲委派机制的优点是什么、缺点是什么?


4.1 双亲委派机制的优点

避免重复加载:保证每个类只被加载一次。

安全性:由于每个类只被加载一次,确保全局唯一,避免核心api被篡改。


4.2 双亲委派机制的缺点

缺点1:子类加载器可以使用父类加载过的类,但是父类加载器无法使用子类加载器加载过的类。

比如JDK有很多服务提供者接口SPI(Service provider Interface),像jdbc、JDNI接口,这些是java的核心库,都是在JDK包的lib目录下。负责加载这个目录的是启动类加载器。实现这些SPI接口的是第三方自定义包,比如MySQL的jdbc、oracle的jdbc,这种自定义的包,按理应该在自定义类加载器里加载。

按双亲委派机制,在应用程序执行到SPI接口实现方法,启动类加载器从lib目录下加载完SPI接口后,jvm发现这个接口实现方法的代码还在自定义类加载器负责范围里,这时候把启动类加载器难倒了!【我要加载一个类,但是我加载不到,而且我没有父加载器委托,更bug 的是我无法向下委托加载】。

4.3 打破双亲委派机制的方式

双亲委派机制并不是一个强制约束,而是 Java 设计者推荐给我们的类加载器的实现方式。所以为了完成某些特定操作,我们可以“打破” 这个机制。

打破双亲委派模型的方法主要包括:

1、重写 loadClass() 方法,比如我们自定义类加载器,如果要打破双亲委派机制,我们就重写loadClass()方法就可以。

2、利用线程上下文加载器。Java 应用上下文加载器默认是使用 AppClassLoader。若想要在父类加载器使用到子类加载器加载的类,可以使用 Thread.currentThread().getContextClassLoader()。

String name = "java/sql/Date.class";
        Enumeration<URL> urls = Thread.currentThread().getContextClassLoader().getResources(name);
        while (urls.hasMoreElements()) {
            URL url = urls.nextElement();
            System.out.println(url.toString());
        }

五、Tomcat如何打破双亲委派机制?

    Tomcat是一个web容器,需要部署多个应用。每个应用的依赖代码可能是不同的版本。比如A应用的fastJson是2.0版本,B应用是3.0版本,里面都有JASONArray类。但按双亲委派机制,不可以重复加载同一个类。

Tomcat 为每个 web 容器单独提供一个 WebAppClassLoader 加载器,通过提供隔离的机制,破坏双亲委派原则。

实现流程大概如下:

1、为每一个应用在容器里有单独的 WebAppClassLoader 加载器,该加载器负责只加载应用自身目录下的 class 文件,从而实现隔离。

2、如果WebAppClassLoader加载不到,才向上委派到通用的加载器 CommonClassLoader 进行加载。

今天就分享到这,说完类加载器种类、优缺点,以及如何打破双亲委派机制后,那么JVM进程通过类加载器classLoader将.class文件加载到内存的过程具体做哪些操作?解析、验证?留一个思考题给大家,下一篇文章,我们再细说。

相关文章
|
14天前
|
存储 监控 算法
美团面试:说说 G1垃圾回收 底层原理?说说你 JVM 调优的过程 ?
尼恩提示: G1垃圾回收 原理非常重要, 是面试的重点, 大家一定要好好掌握
美团面试:说说 G1垃圾回收 底层原理?说说你 JVM 调优的过程  ?
|
6天前
|
Arthas 监控 数据可视化
JVM进阶调优系列(7)JVM调优监控必备命令、工具集合|实用干货
本文介绍了JVM调优监控命令及其应用,包括JDK自带工具如jps、jinfo、jstat、jstack、jmap、jhat等,以及第三方工具如Arthas、GCeasy、MAT、GCViewer等。通过这些工具,可以有效监控和优化JVM性能,解决内存泄漏、线程死锁等问题,提高系统稳定性。文章还提供了详细的命令示例和应用场景,帮助读者更好地理解和使用这些工具。
|
12天前
|
监控 架构师 Java
JVM进阶调优系列(6)一文详解JVM参数与大厂实战调优模板推荐
本文详述了JVM参数的分类及使用方法,包括标准参数、非标准参数和不稳定参数的定义及其应用场景。特别介绍了JVM调优中的关键参数,如堆内存、垃圾回收器和GC日志等配置,并提供了大厂生产环境中常用的调优模板,帮助开发者优化Java应用程序的性能。
|
16天前
|
Arthas 监控 Java
JVM知识体系学习七:了解JVM常用命令行参数、GC日志详解、调优三大方面(JVM规划和预调优、优化JVM环境、JVM运行出现的各种问题)、Arthas
这篇文章全面介绍了JVM的命令行参数、GC日志分析以及性能调优的各个方面,包括监控工具使用和实际案例分析。
31 3
|
17天前
|
缓存 前端开发 Java
JVM知识体系学习二:ClassLoader 类加载器、类加载器层次、类过载过程之双亲委派机制、类加载范围、自定义类加载器、编译器、懒加载模式、打破双亲委派机制
这篇文章详细介绍了JVM中ClassLoader的工作原理,包括类加载器的层次结构、双亲委派机制、类加载过程、自定义类加载器的实现,以及如何打破双亲委派机制来实现热部署等功能。
24 3
|
19天前
|
Java API 对象存储
JVM进阶调优系列(2)字节面试:JVM内存区域怎么划分,分别有什么用?
本文详细解析了JVM类加载过程的关键步骤,包括加载验证、准备、解析和初始化等阶段,并介绍了元数据区、程序计数器、虚拟机栈、堆内存及本地方法栈的作用。通过本文,读者可以深入了解JVM的工作原理,理解类加载器的类型及其机制,并掌握类加载过程中各阶段的具体操作。
|
17天前
|
算法 Java
JVM进阶调优系列(4)年轻代和老年代采用什么GC算法回收?
本文详细介绍了JVM中的GC算法,包括年轻代的复制算法和老年代的标记-整理算法。复制算法适用于年轻代,因其高效且能避免内存碎片;标记-整理算法则用于老年代,虽然效率较低,但能有效解决内存碎片问题。文章还解释了这两种算法的具体过程及其优缺点,并简要提及了其他GC算法。
 JVM进阶调优系列(4)年轻代和老年代采用什么GC算法回收?
|
13天前
|
Java
JVM进阶调优系列(5)CMS回收器通俗演义一文讲透FullGC
本文介绍了JVM中CMS垃圾回收器对Full GC的优化,包括Stop the world的影响、Full GC触发条件、GC过程的四个阶段(初始标记、并发标记、重新标记、并发清理)及并发清理期间的Concurrent mode failure处理,并简述了GC roots的概念及其在GC中的作用。
|
18天前
|
算法 Java
JVM进阶调优系列(3)堆内存的对象什么时候被回收?
堆对象的生命周期是咋样的?什么时候被回收,回收前又如何流转?具体又是被如何回收?今天重点讲对象GC,看完这篇就全都明白了。
|
16天前
|
存储 安全 Java
jvm 锁的 膨胀过程?锁内存怎么变化的
【10月更文挑战第3天】在Java虚拟机(JVM)中,`synchronized`关键字用于实现同步,确保多个线程在访问共享资源时的一致性和线程安全。JVM对`synchronized`进行了优化,以适应不同的竞争场景,这种优化主要体现在锁的膨胀过程,即从偏向锁到轻量级锁,再到重量级锁的转变。下面我们将详细介绍这一过程以及锁在内存中的变化。
29 4