JVM性能专题一：JVM类加载机制

一、Java类加载运行全过程

　　P1：通过Java命令执行代码的大致过程：

　　　　1）window系统下java.exe调用底层的jvm.dll文件创建Java虚拟机(c++实现)

　　　　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,该类由引导类加载器负责加载，创建其他类加载器

　　　　4）sun.misc.Launcher.getLauncher()获取运行类自己的类加载器ClassLoader,是AppClassLoader的实例

　　　　5）launcher.getClassLoader()调用loadClass加载要运行的类

　　　　6）加载完成的时候JVM会执行该类的main方法入口

　　　　7）程序运行结束，JVM销毁

　　P2：其中loadClass的类加载过程有如下几步：

　　　　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（InstanceMirrorKlass）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

　　　　4）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

　　　　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

　　P3：类被加载到方法区中：

　　　　主要包含运行时常量池、类型信息、字段信息、方法信息、类加载器的引用、对应class实例的引用等信息

　　　　1）类加载器的引用：这个类到类加载器实例的引用

　　　　2）对应class实例的引用：类加载器在加载类信息放到方法区中后，会创建一个对应的class类型的对象实例放到堆（Heap）中，作为开发人员访问方法区中类定义的入口和切入点

　　　　3）主类在运行过程中如果使用到其他类，会逐步加载这些类。jar包或war包里的类不是一次性全部加载的，是使用到时才会加载

　　P4：什么时候会触发类加载：

　　　　1）使用new关键字实例化对象

　　　　2）读取或者设置一个类的静态变量的时候

　　　　3）调用类的静态方法的时候

　　　　4）对类进行反射调用的时候

　　　　5）初始化子类，父类会先被初始化

　　　　6）对类使用动态代理的时候需要被先初始化

二、JVM核心类加载器

　　P1：类加载过程主要通过类加载器来实现的：

　　　　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、charset.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，主要就是加载你自己写的那些类

　　　　4）自定义类加载器：负责加载用户自定义路径下的类包

　　P2：打印类加载器代码清单：

public class TestClassLoader {

　　public static void main(String[] args) {
   　　System.out.println(String.class.getClassLoader());
   　　System.out.println(DESKeyFactory.class.getClassLoader());
   　　System.out.println(TestClassLoader.class.getClassLoader());
　　}
}

　　运行结果：

null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4b67cf4d
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

注意：引导类加载器打印结果是null，该加载器对象不是Java对象是c++对象，不做显示

　　P3：类加载器初始化过程：

　　　　1）创建JVM启动器实例sun.misc.Launcher（该类初始化使用了单例模式，保证一个JVM虚拟机内只有一个sun.misc.Launcher实例）

　　　　2）在Launcher构造器方法内部，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)

　　　　3）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

　　P4：类加载器初始化过程代码清单：

public Launcher() { //Launcher的构造方法
        Launcher.ExtClassLoader var1;
        try {
            var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader(); //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
        } 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类加载器设置为ExtClassLoader
            this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1); //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
        } 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);
        }

    }

三、类加载双亲委派机制

　　P1：双亲委派机制：

　　　　1）这里类加载就是一个双亲委派机制，加载某个类时会先委托父加载器寻找目标类，父类加载器一直向上委托，直到委托到引导类加载器

　　　　2）每个加载器会加载自己指定的类路径，如果被加载的目标类在该区域，则自己加载，如果目标类不在该区域，则向下委托

　　　　总结：双亲委派机制简单来说，先让父亲加载，不行再由儿子自己加载

　　P2：双亲委派机制代码清单：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    { //ClassLoader的loadClass方法，里面实现了双亲委派机制
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name); //检查当前类加载器是否已经加载了该类
            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();
                    c = findClass(name); //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

                    // 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;
        }
    }

　　　　1）首先，检查一下指定名称的类是否已经加载过了，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类加载器，如果有父类加载器，则由父类加载器加载（即调用parent.loadClass(name,false);）或者是调用bootstrap类加载器来加载

　　　　3）如果父类加载器及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

　　P3：为什么要设计双亲委派机制？

　　　　1）沙箱安全机制：自己写的java.lang.String.class类不会被加载，这样便防止核心API类库被随意篡改

　　　　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

　　P4：类加载示例：

package java.lang;

public class String {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("********My String Class*********");
    }
}

　　运行结果：

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、手写自定义类加载器打破双亲委派机制

　　P1：自定义类加载器代码清单：

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将一个字节数组转为Class对象，这个字节数组是class文件读取最终的字节数组
                return defineClass(name,data,0,data.length);
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，其中会把自定义类加载器的父加载器设置为应用程序类加载器AppClassLoader
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
        //D盘创建 testcomspring几级目录，将Person类的复制类Person.class丢入该目录
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.spring.Person");
        Object obj = clazz.newInstance();
        Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
        method.invoke(obj,null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

　　运行结果：

****自己的类加载器加载类调用方法****
sun.misc.Launcher$AppClassLoader

如上所示：如果控制台输出的类加载器为AppClassLoader，那么请删掉项目中的src/com/spring/Person.java以及target/classes/com/spring/Person.class文件。
造成该现象的原因：向上委派了，APPClassLoader可以在自己的类路径下找到该文件

****自己的类加载器加载类调用方法****
com.map.MyClassLoaderTest$MyClassLoader

　　　　1）自定义类加载器只需要继承java.lang.ClassLoader类

　　　　2）该类两个核心方法。一个是loadClass(String,boolean)，实现了双亲委派机制，还有一个方法是findClass，默认实现是空方法，所以我们自定义类加载器主要重写findClass方法

 　　P2：打破双亲委派代码清单：

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将一个字节数组转为Class对象，这个字节数组是class文件读取最终的字节数组
                return defineClass(name,data,0,data.length);
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }

        /**
         * 重写类加载方法，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载
         * @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 loaded
                Class<?> c = findLoadedClass(name);
                if (c == null) {
                        long t1 = System.nanoTime();
                        if (!name.startsWith("com.spring")){ //如果不是com.spring包下的类，向上委派
                            c = this.getParent().loadClass(name);
                        }else {  //如果是，则自己加载
                            c = findClass(name);
                        }

                        // this is the defining class loader; record the stats
                        sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                        sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，其中会把自定义类加载器的父加载器设置为应用程序类加载器AppClassLoader
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
        //D盘创建 testcomspring几级目录，将Person类的复制类Person.class丢入该目录
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.spring.Person");
        Object obj = clazz.newInstance();
        Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
        method.invoke(obj,null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

 　　运行结果：

****自己的类加载器加载类调用方法****
com.map.MyClassLoaderTest$MyClassLoader

如果出现问题，请仔细想想类加载机制以及双亲委派机制，每一个类加载之前都会加载Object类，这个只能引导类加载器去加载

 　　注意：同一个JVM内，两个相同包和类名的类对象可以共存，因为他们的类加载器可以不一样，所以看两个类对象是否是同一个，除了看类的包名和类名是否都相同之外，还需要他们的类加载器也是同一个才能认为是同一个类