JVM-白话聊一聊JVM类加载和双亲委派机制源码解析

淡淡的烟草味﹌ 2023-02-17 02:28 11阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  Java 执行代码的大致流程
 *  类加载loadClass的步骤
 *  类加载器和双亲委派机制
 *  sun.misc.Launcher源码解析
 *   *  Launcher实例化
     *  Launcher 构造函数
 *  双亲委派机制 源码解析
 *   *  双亲委派过程
     *  源码解析 ClassLoader\#loadClass
     *  双亲委派机制的优点
 *  全盘负责委托机制

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

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# Java 执行代码的大致流程 #

我们先回顾下Java 执行代码的大致流程

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

假设要执行A类的main方法

1.  启动虚拟机 （C++负责创建） 【windows ： bin/java.exe调用 jvm.dll Linux ： java 调用 libjvm.so 】
2.  创建一个引导类加载器实例 （C++实现）
3.  C++ 调用Java代码，创建JVM启动器，实例sun.misc.Launcher 【这货由引导加载器负责加载创建其他类加载器】  
    ![在这里插入图片描述][20200611000005207.png]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

1.  sun.misc.Launcher.getLauncher() 获取运行类自己的加载器ClassLoader --> 是AppClassLoader ， 通过上图源码可知
2.  获取到ClassLoader后调用loadClass(“A”)方法加载运行的类A
3.  加载完成执行A类的main方法
4.  程序运行结束
5.  JVM销毁

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# 类加载loadClass的步骤 #

其中最核心的方法 **loadClass** ,其实现我们常说的双亲委派机制 ，我们后面展开。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

我们先白话一下类加载的几个步骤

**加载 ----> 验证 ----> 准备 ----> 解析 ----> 初始化** \----> 使用 ----> 卸载

谈及比较多的是前五个 ，我们来捋一捋哈 ，不要尝试死记硬背，尝试去理解它的逻辑

1.  加载： 我们说jvm执行的java字节码，编译后在磁盘上，总得读取这个字节码文件吧 ，通过啥读 IO呗 ， 所以第一步肯定是加载字节码文件
2.  验证 ： JVM总不能说读到啥就直接运行了吧，你外面有个A.class 里面是一堆JVM规范不认识的内容，也执行不了啊 。 符合JVM规范才能执行后续的步骤，所以第二步是 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。 我们的类里，可能会包含一些静态变量吧 。 比如 `public static final int a = 12;` 得给a分配个默认值 0 ，再比如 `public static User user = new User();` 给 static的变量 User分配内存，并赋默认值null （final修饰的常量，直接赋值）
4.  解析 ： 这个地方不是很好理解， 解析是什么意思呢？将符号引用替换为直接引用。 符号引用 ？ 直接引用？ what ? ------------- 我们的类的静态方法 比如main方法 其实在Java中有个叫法 都是叫符号 。 这个阶段就会吧 一些**静态方法**（符号引用，比如刚才说的main方法）**替换为指向数据所存内存的指针或者句柄等（直接引用）**【找到具体在内存中的位置】。 这个就是静态链接过程（在类加载期间完成）。 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 （比如某个普通方法的调用）
5.  初始化： 上面的步骤完事儿以后，这一步主要是对类的**静态变量**初始化为指定的值，执行静态代码块。 比如刚才第二步的 `public static final int a = 12;` ，第二步给static变量赋了默认值，这一步就该把12赋值给它了。 还有 static的 User `public static User user = new User();` 实例化User

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# 类加载器和双亲委派机制 #

刚才说了类加载器中loadClass方法实现了双亲委派的机制，那我们需要先了解下有哪几种类加载器

主要有4种

1.  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
2.  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**
3.  应用程序类加载器：负责**加载ClassPath路径下的类包**，主要就是加载我们应用中自己写的那些类
4.  自定义加载器：负责**加载用户自定义路径下的类包**

我们来看看 几种不同的类加载器

public class ClassLoadTest { 
    
        public static void main(String[] args) { 
            // 核心rt.jar中的类加载器 是C++加载的，因此这里为null 
            System.out.println(String.class.getClassLoader());
            // 扩展包的加载器 ExtClassLoader
            System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader());
            // 应用加载器 AppClassLoader
            System.out.println(ClassLoadTest.class.getClassLoader());
    
    
            System.out.println("");
    
            // 获取系统ClassLoader
            ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
            // appClassLoader的父加载器
            ClassLoader extClassLoader = appClassLoader.getParent();
            // extClassLoader的父加载器
            ClassLoader boostrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
    
            System.out.println("the bootstrapLoader : " + boostrapClassLoader);
            System.out.println("the extClassloader : " + extClassLoader);
            System.out.println("the appClassLoader : "+ appClassLoader);
    
    
            System.out.println("");
    
            System.out.println("==============bootstrapLoader加载的文件====================");
    
            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加载的文件====================");
            System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
    
            System.out.println("");
    
    
            System.out.println("==============appClassLoader 加载的文件====================");
            System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
        }
    }

输出

null
    sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@29453f44
    sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
    
    the bootstrapLoader : null
    the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@29453f44
    the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
    
    ==============bootstrapLoader加载的文件====================
    file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/resources.jar
    file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/rt.jar
    file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/sunrsasign.jar
    file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/jsse.jar
    file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/jce.jar
    file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/charsets.jar
    file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/lib/jfr.jar
    file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_161/jre/classes
    
    ==============extClassloader加载的文件====================
    E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext;C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext
    
    ==============appClassLoader 加载的文件====================
    E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\charsets.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\deploy.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\cldrdata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\dnsns.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\jaccess.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\jfxrt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\localedata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\nashorn.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\sunec.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\zipfs.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\javaws.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\jce.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\jfr.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\jfxswt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\jsse.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\management-agent.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\plugin.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\resources.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\rt.jar;D:\IdeaProjects\GOF23\target\classes;C:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2019.3.1\lib\idea_rt.jar

看看appClassLoader 咋加载这么多？ 其实它并没有加载这么多，除了 D:\\IdeaProjects\\GOF23\\target\\classes; 是它加载的，剩下的都是他的父加载器给他干的。

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# sun.misc.Launcher源码解析 #

JVM启动时，C++会实例化JVM启动器实例sun.misc.Launcher ，所以很有必要研究一下Launcher的源码 。

## Launcher实例化 ##

private static Launcher launcher = new Launcher();

采用了 饿汉模式 静态域的方式 实现了单例模式 ，保证一个JVM虚拟机内只有一个sun.misc.Launcher实例。

## Launcher 构造函数 ##

实例化，调用构造函数，我们看下它的构造函数干了啥？

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);
              .....
             .....
             .....
            }
    
        }

Launcher构造方法内部， 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。

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# 双亲委派机制 源码解析 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

## 双亲委派过程 ##

通俗的说： 当我们需要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。

举个例子，我们有个类A.class ,最先会找应用程序类加载器AppClassLoader 加载，AppClassLoader 会先委托扩展类加载器ExtClassLoader加载，扩展类加载器再委托引导类加载器BootClassLoader，顶层引导类加载器BootClassLoader在自己的类加载路径里 没找到A类，则向下退回加载A类的请求，扩展类加载器ExtClassLoader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A类，又向下退回A类的加载请求给应用程序类加载器AppClassLoader ，应用程序类加载器 在自己的类加载路径里找A类，结果找到了就自己加载了。。

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## 源码解析 ClassLoader\#loadClass ##

loadClass实现了双亲委派的功能，我们有必要好好的研究一下

既然都是委托向上查找，那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

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
            throws ClassNotFoundException
        { 
            synchronized (getClassLoadingLock(name)) { 
                // First, check if the class has already been loaded
                
               // 检查当前类加载器是否已经加载了该类 ,加载直接返回
                Class<?> c = findLoadedClass(name);
                if (c == null) { 
                    long t0 = System.nanoTime();
                    try { 
                    
                        //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
                        if (parent != null) { 
                            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) { 
                         
                    }
    
                    if (c == null) { 
                        // If still not found, then invoke findClass in order
                        // to find the class.
                        long t1 = System.nanoTime();
                        
                        //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) { 
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }

看注释~

总结一下几个步骤

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 【调用URLClassLoader的findClass方法在加载器的类路径里查找并加载该类】来完成类加载。

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## 双亲委派机制的优点 ##

1.  沙箱安全机制：比如我们自己写的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
2.  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

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# 全盘负责委托机制 #

这个比较好理解

“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。

比如我们的类 A中引用了 类B，由于全盘负责委托机制 ，类B也将有加载类A的加载器来加载，除非你显示的使用另外一个ClassLoder。

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