各位同学，开发者学堂Java 图谱中Java 高级工程师篇的课程“Java 虚拟机原理”的课程给开始更新了，第三课时“类加载器原理”的干货总结来啦！一起学习新课程吧！
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课程名称：类加载器原理
课程地址：https://developer.aliyun.com/learning/course/56/detail/1066
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类加载器原理
一、类加载
（一）TraceClassLoading
TraceClassLoading参数可以显示JVM从进程开始到运行结束的时候，所有ClassLoad的相关信息。在JDK8上，用“-XX:+ TraceClassLoading”就可以显示，在JDK11上的话，要加上 “-Xlog: class+load=info”。
下方是JDK11上打出来的一些日志，可以看到时间，类，还有类从哪个模块里来，信息非常详细。
（二）类加载与虚拟机
关于类加载部分，首先用户有Java文件，然后Java文件用Java c去编译就可以得到.class文件，接着虚拟机会加载.class文件变成虚拟机的元数据。比如在c++里边会变成Klass *， Method *，ConstantPool * 等，这些都是Java虚拟机里元数据的描述。
比如一个Class会变成一个Klass*的结构体，这个Class里面所有方法会变成虚拟机里面Method*的结构体，然后常量池会被包装成一个ConstantPool*，这些在虚拟机里都有相关描述。
（三）ClassFile
上图为ClassFile的结构，它的反汇编是Java.lang.string。
如果用户想构造一个String，就必须要传给它一个字符串的自变量，自变量会被传到Value的数组里。可以看到，在JDK11当中Value是用Stable Annotation修饰的。
和上图对比，可以发现Private Final以及Byte的数组全都被很好地描述在Java p反汇编的Class文件中， Stable annotation被描述在ClassFile里。
我们来看一个例子。
rangeCheck是String里边的一个Static方法，这个方法有三个参数value、offset和count，它内部会调用一个static的方法，并且返回null。
对照上方的Java p反汇编的class文件，反汇编的文件分为三个部分，第一个部分是Code，第二个部分是LineNumberTable，以及LocalVariableTable。
Code当中iload_1，iload_2以及aload_10都是字节码，可以看到LineNumberTable里的第280行对应的0，这个0是上面Code的第0行，也就是iload_1。下面的line 281行的7对应的是aconst_null字节码。
LocalVariableTable的Start、Length对应的都是字节码的位置，后面还有名字等信息。
例如value这个变量是从第0号字节码，它的生命周期一直从0号到第9位字节码，第9位是左开右闭区间，因此不包括第9号字节码。可以看到，所有的信息都会被完整保存在ClassFile里。
可以看到，上图所示的Annotations类上面有无数的注解，例如IA、IB、IC，它们都是Annotations的定义， Annotations可以插在程序的各个地方，这张图只是为了一个直观的表示，然后来看一下Annotations是怎么样被Incode进ClassFile里面的，可以直观对比下图的变量。
（四）ClassLoader结构
Class这些元数据在JVM当中是如何被表示的？
假设有一个ClassLoader正在Loader一些类，然后把它们Load进虚拟机当中。JVM当中有一个结构体叫做SystemDictionary，它是一个Meta，会把Class的类名Meta到Class的Pointer当中，然后Pointer指向的就是Metaspace当中真正的Class结构描述。
Class当中有一些Mirror的字段，这些Mirror指向java.lang.Class。
Mirror和上层的.class是一样的，是一个反射接口的作用。
可以看到，ClassLoader会索引到SystemDictionary，然后索引到Metaspace Chunk，接着索引到Heap，这几个可以互相引用。
图中Metaspace Chunk的Klass以及Heap里的java.lang.Class图形大小是不同的。因为用户自己写的Class有可能会继承自不同的父类以及不同的接口，它有可能实现了若干个父类和接口，实现接口和父类的数量有所不同， Class里的东西也是不尽相同，因此元数据的大小也是不一样的。
（五）双亲委派机制
Java的ClassLoader有双亲委派机制，先使用双亲类加载器进行加载，当 Parent加载失败的时候，再自己加载。
Bootstrap Class Loader、Extension Class Loader和System Class Loader（即APP Class Loader）这三个Class Loader是父子的关系。如果先从APP Class Loader加载用户的命令Class，会先去Extension Class Loader加载，然后去Bootstrap Class Loader加载，如果它们都没有加载到，最后才会轮到System Class Loader加载。
所有User Defined Class Loader的Parent基本都是System Class Loader，用户可以选择自己是否要写一个新的Class Loader。
LoadClass类是ClassLoader内部一个非常通用性的类，如果要重写一个ClassLoader的话，会选择重写里面的findLoadedClass这个方法，而不会选择LoadClass。
如上图所示，首先是一个synchronized，加上get ClassLoadingLock的同步锁。它下面会先调用一个findLoadedClass，这个函数会去SystemDictionary里去找到相应的类。如果它没有，那么就会到Parent中loadClass，如果Parent里也没有，就会到findClass的方法。
（六）破坏双亲委派机制
> Tomcat ClassLoader 为例，它会经过以下过程：
1）在本地 ResourceEntry 当中查找
2）调用 ClassLoader.findLoadedClass()
3）默认情况下调用 AppClassLoader.loadClass()
4）用自身加载
5）依旧没有加载出来的情况，最后才委派给Parent
> 意义：可以实现一个 VM 进程下加载不同版本的 jar 包
（七）ParallelCapable
从JDK1.7开始， ClassLoader引入了一个叫ParallelCapable的特性。
之前的JDK当一个ClassLoader在LoadClass的时候，它会锁ClassLoader，锁的粒度是整个ClassLoader。在1.7引入了ParallelCapable特性之后，锁的粒度变成了Class，大幅提高ClassLoader的性能。
先ClassLoader在loadClass 时同步整个 loader 对象，现在把锁变成了单个类名对应的Placeholder。如果要Load一个Class，检查类名就可以找到相应的Placeholder。
下面我们来看一下它到底是怎么实现的。
如上图所示，第一行的关键字synchronized锁住了getClassLoadingLock。这个方法会从非权限命名所对应的Object的Map里边搜索到它对应的Placeholder，也就是占位符，它只要锁住了占位符，后面的过程就全是进程安全了。
下面我们来看一下虚拟机里面的实现。
DoObject变量决定了当前的ClassLoader是否要锁住整个ClassLoader来加载一个类。如果是true，就会去锁住整个ClassLoader。如果它是false的话，它就会像刚才一样做synchronized操作，synchronized锁住的是它加载的类对应的名字所对应的Placeholder。这样的话它就把C++层锁住整个ClassLoader的代价，转移到了Java层，去锁住Class。
二、链接
> 链接的过程如下：
1）先递归地对所有父类和接口进行链接操作；
2）verify 当前类；
3）rewrite 当前类：
* 比如会把 java.lang.Object. 构造函数的 _return 字节码重写为 _return_register_finalizer 字节码；
* 比如 _lookupswitch 这种不连续的 switch，跳转分支数在 BinarySwitchThreshold (default 5) 以下会被重写成 _fast_linearswitch 字节码，否则会变成 _fast_binaryswitch 字节码；
* 比如 _aload_0 + _getfield (integer) 的组合最终会被 rewrite 成 _fast_iaccess_0 字节码
4）对类内部的所有方法进行链接操作，使其生效（设置方法执行的入口为解释器的入口）。
三、初始化
（一）初始化操作
在虚拟机规范当中，我们可以看到这样的描述：
1）在_new/_getstatic/_putstatic/_invokestatic字节码时/反射/lambda解析发现callee是一个static 函数时触发；
2）调用 class 的 方法；
3）实例化。
我们写Java程序的时候用的Static变量，在虚拟机内部会转化成一个叫的方法，然后实例化。如果用反射去New一个Object，或者是走New字节码的时候，都会进行初始化的操作。
上图是一个的方法，截取的是java.lang.Object的Static块，它
只有一条的代码。
（二）编写自己的 ClassLoader
> 方法：
1）按照 ClassLoader.loadClass() 的模板来重写（不推荐）；
2）仅重写 findClass() 方法，拿到并解析.class 文件为一个 byte[] 数组，并调用 defineClass()方法进入VM。
（三）Class Unloading
> JDK8与JDK11中都有-XX:+ClassUnloading (default true)
> Class Unloading发生在当一个类不被任何引用所引用时，就可以被unload掉
1）一个类被加载的时候，会产生 ClassLoader -> Class 的引用，因此 ClassLoader 自身需要先不被任何引用所引用
2）其他GC roots无对此类的引用，比如栈帧等
（四）向JDK11迁移
> JDK8和JDK11中JDK library中的ClassLoader有所不同
1）ExtClassLoader 更名为了 PlatformClassLoader；
2）PlatformClassLoader和AppClassLoader不再继承自URLClassLoader；
3）如果指定了 -Djava.ext.dirs 这个变量，需要用 -classpath 来加以替代；
4）如果指定了-Djava.endorsed.dirs来覆盖JDK内部的API，需要删掉参数。
（五）AppCDS (APPlication Class Data Sharing)> Ap
1）用程序加载的classes 产生 *.jsa 文件 (shared archive)，给应用的启动进行加速;
2）JDK 1.5 时为 CDS，只能用 dump BootstrapClassLoader 加载的类;
3）JDK10后变为AppCDS，可以用于AppClassLoader和custom ClassLoaders。
> AppCDS本质是动态分析流程，使用步骤如下：
1） 第一次：java -Xshare:off -XX:DumpLoadedClassList=list.log
2） 第二次：java -Xshare:dump -XX:SharedClassListFile=list.log XX:SharedArchiveFile=dump.jsa
3） 第三次：java -Xshare:on -XX:SharedArchiveFile=dump.jsa
JDK 在 build 的时候，会使用Java加上AppCDS的参数自动产生一份.jsa 文件来加速启动，放在 ${JAVA_HOME}/lib/server 下，会什么参数都不加，裸跑一个.jsa 文件，产生的文件叫classes.jsa，用户搜自己JDK11的目录都可以搜到。
