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徹底剖析JVM類加載機制（一）

文章标題

  • 一、類加載機制
    • 2.1、為什麼要設計雙親委派機制？
    • 2.2、全盤負責委托機制
    • 2.3、自定義類加載器示例
    • 2.4、如何打破雙親委派機制呢
    • 1.1、證明
    • 1.2、類加載器和雙親委派機制
    • 1.3、加載器初始化過程：
    • 1、類加載運作全過程
    • 2、雙親委派機制

當我們用java指令運作某個類的main函數啟動程式時，首先需要通過類加載器把主類加載到JVM。

package com.zhz.jvm;/**
 1. @author ：zhz
 2. @date ：Created in 2020/12/31
 3. @version: V1.0
 4. @slogan: 天下風雲出我輩，一入代碼歲月催
 5. @description:
 **/public class TestMath {public static final int data=0;public static Person p=new Person();//一個方法對應一塊棧幀區域public int compute(){int a=1;int b=1;int c=(a+b)*10;return c;}public static void main(String[] args) {TestMath math=new TestMath();math.compute();}}

通過Java指令執行代碼的大體流程如下：

徹底剖析JVM類加載機制（一）
類加載過程分為
加載 >> 驗證 >> 準備 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 解除安裝1、加載
	在硬碟上查找并通過IO讀入位元組碼檔案，使用到類時才會加載，例如調用類的main()方法，new對象
	等等，在加載階段會在記憶體中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象，作為方法區這個類的各種資料的通路入口2、驗證
	校驗位元組碼檔案的正确性3、準備
	給類的靜态變量配置設定記憶體，并賦予預設值4、解析
	将符号引用替換為直接引用，該階段會把一些靜态方法(符号引用，比如main()方法)替換為指向資料
	所存記憶體的指針或句柄等(直接引用)，這是所謂的靜态連結過程(類加載期間完成)，動态連結是在程
	序運作期間完成的将符号引用替換為直接引用，下節課會講到動态連結5、初始化
	對類的靜态變量初始化為指定的值，執行靜态代碼塊
徹底剖析JVM類加載機制（一）

類被加載到方法區中後主要包含 運作時常量池、類型資訊、字段資訊、方法資訊、類加載器的引用、對應class執行個體的引用等資訊。

類加載器的引用：這個類到類加載器執行個體的引用

對應class執行個體的引用：類加載器在加載類資訊放到方法區中後，會建立一個對應的Class 類型的對象執行個體放到堆(Heap)中, 作為開發人員通路方法區中類定義的入口和切入點。

package com.zhz.jvm;/**
 * @author ：zhz
 * @date ：Created in 2020/12/31
 * @version: V1.0
 * @slogan: 天下風雲出我輩，一入代碼歲月催
 * @description: 驗證部分加載
 **/public class TestDynamicLoad {static {System.out.println("--------load TestDynamicLoad--------");}public static void main(String[] args) {new A1();System.out.println("--------------------load test--------------------");B1 b1 = null;///B不會加載，除非這裡執行 new B()}}class A1 {static {System.out.println("*************load A************");}public A1() {System.out.println("*************initial A************");}}class B1{static {System.out.println("*************load B************");}

   public B1() {System.out.println("*************initial B************");}}

運作結果：

徹底剖析JVM類加載機制（一）

結論：主類在運作過程中如果使用到其它類，會逐漸加載這些類。jar包或war包裡的類

Java裡有如下幾種類加載器

1、導類加載器：負責加載支撐JVM運作的位于JRE的lib目錄下的核心類庫，比如rt.jar、charsets.jar等

2、擴充類加載器：負責加載支撐JVM運作的位于JRE的lib目錄下的ext擴充目錄中的JAR類包

3、負責加載ClassPath路徑下的類包，主要就是加載你自己寫的那些類

4、負責加載使用者自定義路徑下的類包

類加載器示例：

package com.zhz.jvm;import com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory;import sun.misc.Launcher;import java.net.URL;/**
 * @author ：zhz
 * @date ：Created in 2020/12/31
 * @version: V1.0
 * @slogan: 天下風雲出我輩，一入代碼歲月催
 * @description:
 **/public class TestJDKClassLoader {public static <RL> void main(String[] args) {System.out.println(String.class.getClassLoader());System.out.println(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加載以下檔案：");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加載以下檔案：");System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));System.out.println();System.out.println("appClassLoader加載以下檔案：");System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));}}      
"E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\bin\java.exe" -agentlib:jdwp=transport=dt_socket,address=127.0.0.1:52473,suspend=y,server=n -Dvisualvm.id=847811161252100 -javaagent:C:\Users\zhz\.IntelliJIdea2019.3\system\captureAgent\debugger-agent.jar -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath "E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\charsets.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\deploy.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\cldrdata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\dnsns.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\jaccess.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\jfxrt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\localedata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\nashorn.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunec.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\zipfs.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\javaws.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jce.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jfr.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jfxswt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jsse.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\management-agent.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\plugin.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\resources.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\rt.jar;E:\IdeaProjects\interview\out\production\interview;E:\myeclipse\BookShop\WebRoot\WEB-INF\lib\mysql-connector-java-5.1.30.jar;D:\developer_tools\IDEA\IntelliJ IDEA 2019.3.2\lib\idea_rt.jar" com.zhz.jvm.TestJDKClassLoader
Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:52473', transport: 'socket'null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader

the bootstrapLoader : null
the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@2c8d66b2the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2bootstrapLoader加載以下檔案：
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/resources.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/rt.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/jsse.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/jce.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/charsets.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/jfr.jar
file:/E:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_181/jre/classes

extClassloader加載以下檔案：
E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext;C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext

appClassLoader加載以下檔案：
E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\charsets.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\deploy.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\cldrdata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\dnsns.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\jaccess.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\jfxrt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\localedata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\nashorn.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunec.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\ext\zipfs.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\javaws.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jce.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jfr.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jfxswt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\jsse.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\management-agent.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\plugin.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\resources.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\rt.jar;E:\IdeaProjects\interview\out\production\interview;E:\myeclipse\BookShop\WebRoot\WEB-INF\lib\mysql-connector-java-5.1.30.jar;D:\developer_tools\IDEA\IntelliJ IDEA 2019.3.2\lib\idea_rt.jar;C:\Users\zhz\.IntelliJIdea2019.3\system\captureAgent\debugger-agent.jar
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:52473', transport: 'socket'Process finished with exit code 0

參見類運作加載全過程圖可知其中會建立JVM啟動器執行個體sun.misc.Launcher。sun.misc.Launcher初始化使用了單例模式設計，保證一個JVM虛拟機内隻有一個sun.misc.Launcher執行個體。在Launcher構造方法内部，其建立了兩個類加載器，分别是sun.misc.Launcher.ExtClassLoader(擴充類加載器)和sun.misc.Launcher.AppClassLoader(應用類加載器)。

JVM預設使用launcher的getClassLoader()方法傳回的類加載器AppClassLoader的執行個體來加載我們的應用程式。

//Launcher的構造方法
  public Launcher() {Launcher.ExtClassLoader var1;try { //構造擴充類加載器，在構造的過程中将其父加載器設定為nullvar1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();} catch (IOException var10) {throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);}try { //構造應用類加載器，在構造的過程中将其父加載器設定為ExtClassLoader，//Launcher的loader屬性值是AppClassLoader，我們一般都是用這個類加載器來加載我們自己寫的應用程式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);}

JVM類加載器是有親子層級結構的，如下圖：

徹底剖析JVM類加載機制（一）

這裡類加載其實就有一個雙親委派機制，加載某個類時會先委托父加載器尋找目标類，找不到再委托上層父加載器加載，如果所有父加載器在自己的加載類路徑下都找不到目标類，則在自己的類加載路徑中查找并載入目标類。

比如我們的TestMath類，最先會找應用程式類加載器加載，應用程式類加載器會先委托擴充類加載器加載，擴充類加載器再委托引導類加載器，頂層引導類加載器在自己的類加載路徑裡找了半天沒找到TestMath類，則向下退回加載Math類的請求，擴充類加載器收到回複就自己加載，在自己的類加載路徑裡找了半天也沒找到TestMath類，又向下退回TestMath類的加載請求給應用程式類加載器，應用程式類加載器于是在自己的類加載路徑裡找TestMath類，結果找到了就自己加載了。。

雙親委派機制說簡單點就是，先找父親加載，不行再由兒子自己加載

我們來看下應用程式類加載器AppClassLoader加載類的雙親委派機制源碼，AppClassLoader的loadClass方法最終會調用其父類ClassLoader的loadClass方法，該方法的大體邏輯如下：

首先，檢查一下指定名稱的類是否已經加載過，如果加載過了，就不需要再加載，直接傳回。

如果此類沒有加載過，那麼，再判斷一下是否有父加載器；如果有父加載器，則由父加載器加載（即調用parent.loadClass(name, false);）.或者是調用bootstrap類加載器來加載。

如果父加載器及bootstrap類加載器都沒有找到指定的類，那麼調用目前類加載器的findClass方法來完成類加載。

//ClassLoader的loadClass方法，裡面實作了雙親委派機制protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException{synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// 檢查目前類加載器是否已經加載了該類Class<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {long t0 = System.nanoTime();try {if (parent != null) {  //如果目前加載器父加載器不為空則委托父加載器加載該類c = parent.loadClass(name, false);} else {  //如果目前加載器父加載器為空則委托引導類加載器加載該類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();//都會調用URLClassLoader的findClass方法在加載器的類路徑裡查找并加載該類c = findClass(name);// this is the defining class loader; record the statssun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}}if (resolve) {  //不會執行resolveClass(c);}return c;}}

1、沙箱安全機制：自己寫的java.lang.String.class類不會被加載，這樣便可以防止核心API庫被随意篡改

2、避免類的重複加載：當父親已經加載了該類時，就沒有必要子ClassLoader再加載一次，保證被加載類的唯一性

例如：

package java.lang;public class String {public static void main(String[] args) {System.out.println("**************My String Class**************");}}運作結果：
錯誤: 在類 java.lang.String 中找不到 main 方法, 請将 main 方法定義為:
   public static void main(String[] args)否則 JavaFX 應用程式類必須擴充javafx.application.Application

“全盤負責”是指當一個ClassLoder裝載一個類時，除非顯示的使用另外一個ClassLoder，該類所依賴及引用的類也由這個ClassLoder載入。

自定義類加載器隻需要繼承 java.lang.ClassLoader 類，該類有兩個核心方法，一個是loadClass(String, boolean)，實作了雙親委派機制，還有一個方法是findClass，預設實作是空方法，是以我們自定義類加載器主要是重寫findClass方法。 
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);//defineClass将一個位元組數組轉為Class對象，這個位元組數組是class檔案讀取後最終的位元組數組。return defineClass(name, data, 0, data.length);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();throw new ClassNotFoundException();}}}public static void main(String args[]) throws Exception {//初始化自定義類加載器，會先初始化父類ClassLoader，其中會把自定義類加載器的父加載器設定為應用程式類加載器AppClassLoaderMyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");//D盤建立 test/com/zhz/jvm 幾級目錄，将User類的複制類User1.class丢入該目錄Class clazz = classLoader.loadClass("com.zhz.jvm.User1");Object obj = clazz.newInstance();Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);method.invoke(obj, null);System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());}}運作結果：=======自己的加載器加載類調用方法=======com.zhz.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader      

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();}}/**
         * 重寫類加載方法，實作自己的加載邏輯，不委派給雙親加載
         * @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 loadedClass<?> 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 statssun.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");//嘗試用自己改寫類加載機制去加載自己寫的java.lang.String.classClass 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());}}運作結果：
java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
	at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:659)
	at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:758)
JVM類
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