类加载机制深度解析

类加载过程

多个java文件经过编译打包生成可运行jar包，最终由java命令运行某个主类的main函数启动程序，这里首先需要通过类加载器把主类加载到JVM。主类在运行过程中如果使用到其它类，会逐步加载这些类。

类加载到使用整个过程有如下几步：加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载

加载：在硬盘上找到Java字节码文件加载到JVM

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：将符号引用直接替换成直接引用，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：对类的静态成员变量初始化为指定的值，执行静态代码块

注意，jar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

Java里有如下几种类加载器

启动类加载器：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

自定义类加载器

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$ExtClassLoader@7ea987ac
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

bootstrapLoader加载以下文件：
file:/D:/software/JDK/jdk1.8.0_171/jre/lib/resources.jar
file:/D:/software/JDK/jdk1.8.0_171/jre/lib/rt.jar
file:/D:/software/JDK/jdk1.8.0_171/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/D:/software/JDK/jdk1.8.0_171/jre/lib/jsse.jar
file:/D:/software/JDK/jdk1.8.0_171/jre/lib/jce.jar
file:/D:/software/JDK/jdk1.8.0_171/jre/lib/charsets.jar
file:/D:/software/JDK/jdk1.8.0_171/jre/lib/jfr.jar
file:/D:/software/JDK/jdk1.8.0_171/jre/classes

extClassloader加载以下文件：
D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\ext;C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext

appClassLoader加载以下文件：
D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\charsets.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\deploy.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\ext\cldrdata.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\ext\dnsns.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\ext\jaccess.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\ext\jfxrt.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\ext\localedata.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\ext\nashorn.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\ext\sunec.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\ext\zipfs.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\javaws.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\jce.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\jfr.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\jfxswt.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\jsse.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\management-agent.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\plugin.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\resources.jar;D:\software\JDK\jdk1.8.0_171\jre\lib\rt.jar;D:\git\code\study\jvm-study\target\classes;D:\software\IDEA\idea20203pj_186103\lib\idea_rt.jar

自定义一个类加载器示例

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，大体逻辑

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。
1. 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。
2. 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。

另一个方法是findClass，默认实现是抛出异常，所以我们自定义类加载器主要是重写 findClass方法。

public class User {
    public void sout(){
        System.out.println("=======自己的加载器加载类调用方法=======");
    }
    private Integer id;

    private String name;

    public User(Integer id, String name) {
        this.id = id;
        this.name = name;
    }

    public User() {
    }

    public void setId(Integer id) {
        this.id = id;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    //User类需要重写finalize方法
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        FinalizeTest.LIST.add(this);
        System.out.println("关闭资源，userid=" + id + "即将被回收");
    }
}
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:/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("classload.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=======
classload.MyClassLoaderTest$MyClassLoader

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。

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，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

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

举例说明第1点

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();
            }
        }

        /**
         * 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
         */
        @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:/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());
    }
}

举例说明第2点

因为String已经被父类加载过，所以父类加载的String是不包含main方法的，应用加载器加载不到也加载不了我们自己定义的String类

打破双亲委派机制

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：

1、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。

3、 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。

4、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。

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自定义加载器详解

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，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，每个webappClassLoader加载自己的目录下的class文件，不会默认传递给父类加载器（先尝试自己加载，再从父类那找），打破了双亲委派机制。

模拟

1、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 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();

                    //非自定义的类还是走双亲委派加载
                    if (!name.startsWith("com.jvm")){
                        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;
            }
        }
    }

    public static void main(String args[]) throws Exception {
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
        Class clazz = classLoader.loadClass("com.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.jvm.User1");
        Object obj1 = clazz1.newInstance();
        Method method1= clazz1.getDeclaredMethod("sout", null);
        method1.invoke(obj1, null);
        System.out.println(clazz1.getClassLoader());
    }
}

运行结果：
=======自己的加载器加载类调用方法=======
comjvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader@266474c2

=======另外一个User1版本：自己的加载器加载类调用方法=======
com.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader@66d3c617

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。

2、模拟实现Tomcat的JasperLoader热加载

原理：后台启动线程监听jsp文件变化，如果变化了找到该jsp对应的servlet类的加载器引用(gcroot)，重新生成新的JasperLoader加载器赋值给引用，然后加载新的jsp对应的servlet类，之前的那个加载器因为没有gcroot引用了，下一次gc的时候会被销毁。

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性能调优10JVM01类加载机制深度解析