类加载机制深度剖析

类加载机制深度剖析

一、类加载的过程

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

多个java文件经过编译打包生成可运行jar包，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。

加载.class文件的方式：

从本地系统中直接加载
通过网络下载.class文件
从zip，jar等归档文件中加载.class文件
从专有数据库中提取.class文件
将Java源文件动态编译为.class文件

二、类的生命周期

1、加载

查找并加载类的二进制数据加载时类加载过程的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。
将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段（准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个 java.lang.Class类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

2、验证：确保被加载的类的正确性

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了 java.lang.Object之外。
字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。
符号引用验证：确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用 -Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

3、准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意：

这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。
这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

假设一个类变量的定义为： public static int value=3；

那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为3的 publicstatic指令是在程序编译后，存放于类构造器（）方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。

这里还需要注意如下几点：

对基本数据类型来说，对于类变量（static）和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。
对于同时被static和final修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。
对于引用数据类型reference来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即null。
如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。

4、解析：把类中的符号引用转换为直接引用

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。

直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

5、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

初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：

声明类变量是指定初始值
使用静态代码块为类变量指定初始值

JVM初始化步骤

假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类
假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类
假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句

类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种：

创建类的实例，也就是new的方式
访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
调用类的静态方法
反射如：Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)
初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（JavaTest），直接使用java.exe命令来运行某个主类

6、结束生命周期

在如下几种情况下，Java虚拟机将结束生命周期

执行了 System.exit()方法
程序正常执行结束
程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

三、类加载器

Java里有如下几种类加载器

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：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（Extension ClassLoader）：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（Application ClassLoader）：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

除了以上列举的类加载器，还有一种比较特殊的类型 — 线程上下文类加载器。

1、类加载示例

package com.example.demo;

/**
 * @Description 类加载示例
 * @Author jie.zhao
 * @Date 2019/9/23 22:09 
 */
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.getSystemClassLoader().getClass().getName());
        /*
        输出结果：
        null    //启动类加载器是C++语言实现，所以打印不出来
        sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
        sun.misc.Launcher$AppClassLoader
        sun.misc.Launcher$AppClassLoader
         */
    }
}

Class.forName()和ClassLoader.loadClass()区别:

Class.forName()：将类的.class文件加载到jvm中之外，还会对类进行解释，执行类中的static块；
ClassLoader.loadClass()：只干一件事情，就是将.class文件加载到jvm中，不会执行static中的内容,只有在newInstance才会去执行static块。
Class.forName(name,initialize,loader)带参函数也可控制是否加载static块。并且只有调用了newInstance()方法采用调用构造函数，创建类的对象。

2、自定义类加载器

package com.example.demo;

import java.io.*;
import java.lang.reflect.Method;

/**
 * @Description 自定义类加载器
 * @Author jie.zhao
 * @Date 2019/9/23 22:09
 */
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    //类加载路径
    private String classPath;

    public MyClassLoader(String classPath) {
        this.classPath = classPath;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String className) throws ClassNotFoundException {
        try {
            byte[] data = loadByte(className);
            //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(className, data, 0, data.length);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            throw new ClassNotFoundException();
        }
    }

    private byte[] loadByte(String className) throws IOException {
        String fileName = classPath + File.separatorChar + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName);
        int len = fis.available();
        byte[] data = new byte[len];
        fis.read(data);
        fis.close();
        return data;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader("D:/Workspace2019/demo/my-class");
        Class clazz = myClassLoader.loadClass("com.cnsyear.User");
        Object obj = clazz.newInstance();
        Method method = clazz.getDeclaredMethod("hello",null);
        method.invoke(obj,null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
        /*
        输出结果：
        自定义类加载器。。。
        com.example.demo.MyClassLoader
        */
    }
}

创建对应的文件夹和User类

package com.cnsyear;

public class User {

    public void hello(){
        System.out.println("自定义类加载器。。。");
    }
}

自定义类加载器的核心在于对字节码文件的获取，如果是加密的字节码则需要在该类中对文件进行解密。由于这里只是演示，我并未对class文件进行加密，因此没有解密的过程。

3、JVM类加载机制

全盘负责，当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖的和引用的其他Class也将由该类加载器负责载入，除非显示使用另外一个类加载器来载入
父类委托，先让父类加载器试图加载该类，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类
缓存机制，缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区寻找该Class，只有缓存区不存在，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象，存入缓存区。这就是为什么修改了Class后，必须重启JVM，程序的修改才会生效

四、双亲委派机制

JVM类加载器是有亲子层级结构的，如下图

双亲委派模型的工作流程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上，因此，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时，即无法完成该加载，子加载器才会尝试自己去加载该类。

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，使程序更安全
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;
/**
 * @Description 能否加载自定义的String类
 * @Author jie.zhao
 * @Date 2019/9/23 23:08
 */
public class String {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("自定义String类。。。");
        /*
        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
         */
    }
}

四、Tomcat为什么打破双亲委派机制?

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。

再看看我们的问题：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。

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；

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，而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了吗？答案是：违背了。

我们前面说过，双亲委派机制要求除了顶层的启动类加载器之外，其余的类加载器都应当由自己的父类加载器加载。很显然，tomcat不是这样实现，tomcat为了实现隔离性，没有遵守这个约定，每个webappClassLoader加载自己的目录下的class文件，不会传递给父类加载器，打破了双亲委派机制。

五、ClassLoader源码分析

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // First, check if the class has already been loaded
        // 首先判断该类型是否已经被加载
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    //如果没有被加载，就委托给父类加载或者委派给启动类加载器加载
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    //如果不存在父类加载器，就检查是否是由启动类加载器加载的类，
                    //通过调用本地方法native Class findBootstrapClass(String name)
                    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.
                // 如果父类加载器和启动类加载器都不能完成加载任务，才调用自身的加载功能
                long t1 = System.nanoTime();
                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) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

参考文档：