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从JDK源码级别彻底剖析JVM类加载机制

互联网 diligentman 6天前 10次浏览

·# 类加载机制深度解析

个人的理解为大家分享从JDK源码级别彻底剖析JVM类加载机,如有错误十分抱歉,还请指出博主会立马改正。


一、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(这里以Math类为例)。

package com.tuling.jvm;
/**
 * @author Kang
 * @version 1.0
 */
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();
        System.out.println("test");
    }

}

通过Java命令执行代码的大体流程如下(涉及类加载器下面做介绍):
从JDK源码级别彻底剖析JVM类加载机制
我们加载Math类是要经过loadClass的类加载过程有如下几步:

从JDK源码级别彻底剖析JVM类加载机制

  • 加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载
    1. 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
    2. 验证:校验字节码文件的正确性
    3. 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。
    4. 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

二、类加载器和双亲委派机制

1.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

JVM类加载器是有亲子层级结构的,如下图
从JDK源码级别彻底剖析JVM类加载机制
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

2.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。可以用编程工具全局搜索这个Launcher类
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。
构造方法如下:

//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");
       if (var2 != null) {
           SecurityManager var3 = null;
           if (!"".equals(var2) && !"default".equals(var2)) {
               try {
                   var3 = (SecurityManager)this.loader.loadClass(var2).newInstance();
               } catch (IllegalAccessException var5) {
               } catch (InstantiationException var6) {
               } catch (ClassNotFoundException var7) {
               } catch (ClassCastException var8) {
               }
           } else {
               var3 = new SecurityManager();
           }

           if (var3 == null) {
               throw new InternalError("Could not create SecurityManager: " + var2);
           }

           System.setSecurityManager(var3);
       }

   }

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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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;
        }
    }

3.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

4.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

总结

因为是第一次写博客,如有诸多不好,还望包容。


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