枯燥的JVM - 类加载机制

类加载器负责将 Java 类文件加载到 Java 虚拟机。
只有当类被加载进虚拟机内存，才能使用对应的类。

在 Java 中，类加载过程大概分为以下几步：

  1. 通过全限类名获取类文件字节数组。可来自本地文件、jar 包、网络等。
  2. 在方法区/元空间保存类的描述信息、静态属性。
  3. 在 JVM 堆中生成一个对应的 java.lang.Class 对象。

具体的加载过程为：


image.png

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。
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。
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。

Java 默认提供三个类加载器，分别为：

  • Bootstrap ClassLoader
  • Extension ClassLoader
  • App ClassLoader

Bootstrap ClassLoader 负责加载Java基础类，主要是 %JRE_HOME%/lib/ 目录下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar等。
Extension ClassLoader 负责加载Java扩展类，主要是 %JRE_HOME%/lib/ext 目录下的jar。
App ClassLoader 负责加载当前应用的ClassPath中的所有类。

类加载器加载的流程如下：


image.png

先简单的打印一下默认的加载器：

public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader classLoader = Hello.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader.getParent().getParent());
        System.out.println(classLoader.getParent());
        System.out.println(classLoader);
    }
}

打印结果为：

null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@61bbe9ba
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

由于引导类加载器由 c++ 实现 故为 null（加载器之间不是真正的继承关系）

类加载器初始化过程：

创建 JVM 启动器实例 sun.misc.Launcher。

sun.misc.Launcher 初始化使用了单例模式设计，保证一个 JVM 虚拟机内只有一个 sun.misc.Launcher 实例。

public Launcher() {
        Launcher.ExtClassLoader var1;
        try {
            var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();  // 创建扩展类加载器
        } catch (IOException var10) {
            throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
        }

        try {
            this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);  // 创建应用类加载器，并把自己的parent引用指向扩展类加载器
        } catch (IOException var9) {
            throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
        }
        ...其它代码省略
}

在Launcher构造方法内部，其创建了两个类加载器，分别是Launcher.ExtClassLoader (扩展类加载器) 和 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。

双亲委派机制

加载器在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。部分实现如下：

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) {
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false); // 直接委托父加载器加载
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name); // 父加载器为空，则委托引导类加载器加载
                    }
                } 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
                    c = findClass(name);
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

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。
若想打破双亲加载机制，重写此加载方法，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载即可。

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。

自定义类加载器

自定义类加载器则可以实现额外的需求，例如：

从网络文件加载类。
从任意目录加载类。
对字节码文件做加密处理，由自定义类加载器做解密。

下面是继承了 URLClassLoader 的一个简单自定义类加载器

public class MyClassLoader extends URLClassLoader {
    private String classPath;
    public MyClassLoader(URL[] urls){
        super(urls); 
    }
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException, MalformedURLException {
        File file = new File("/opt"); // 自定义的加载根目录
        URL[] URLs = new URL[] {file.toURI().toURL()};
        MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader(URLs);
        Class<?> aClass = myClassLoader.loadClass("com.app.Hello"); // java文件的具体地址
        Object object = aClass.newInstance(); // 通过反射来调用对象里的方法
        Method method = aClass.getDeclaredMethod("sayHello", String.class);
        method.invoke(object, "lilei");
        System.out.println(object.getClass().getClassLoader().getParent());
        System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
    }
}

打印结果为：

hello lilei
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
com.app.MyClassLoader@61bbe9ba

URLClassLoader 类中主要帮我们实现了 ClassLoader 的 findClass 方法，实现代码如下：

protected Class<?> findClass(final String name)
        throws ClassNotFoundException
    {
        final Class<?> result;
        try {
            result = AccessController.doPrivileged(
                new PrivilegedExceptionAction<Class<?>>() {
                    public Class<?> run() throws ClassNotFoundException {
                        String path = name.replace('.', '/').concat(".class");
                        Resource res = ucp.getResource(path, false);
                        if (res != null) {
                            try {
                                return defineClass(name, res);
                            } catch (IOException e) {
                                throw new ClassNotFoundException(name, e);
                            }
                        } else {
                            return null;
                        }
                    }
                }, acc);
        } catch (java.security.PrivilegedActionException pae) {
            throw (ClassNotFoundException) pae.getException();
        }
        if (result == null) {
            throw new ClassNotFoundException(name);
        }
        return result;
    }

实现自定义类加载器的主要步骤为：

继承 ClassLoader 类。如果只是从目录或者jar包加载类，也可以选择继承 URLClassLoader 类。
重写 findClass 方法。
在重写的 findClass 方法中，无论用何种方法，获取类文件对应的字节数组，然后调用 defineClass 方法转换成类实例。

需要注意下，即使自己自定义了类加载器，并重写了 loadClass 方法打破双亲委派机制，也无法篡改 java 核心类，最后来看一下 ClassLoader 中 defineClass 的部分校验代码：

private ProtectionDomain preDefineClass(String name, ProtectionDomain pd) {
        if (!checkName(name))
            throw new NoClassDefFoundError("IllegalName: " + name);
        // 防止篡改其核心类
        if ((name != null) && name.startsWith("java.")) {
            throw new SecurityException
                ("Prohibited package name: " +
                 name.substring(0, name.lastIndexOf('.')));
        }
        if (pd == null) {
            pd = defaultDomain;
        }
        if (name != null) checkCerts(name, pd.getCodeSource());
        return pd;
}
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