JVM类加载过程详细分析

双亲委派加载模型

为什么需要双亲委派加载模型

主要是为了安全，避免用户恶意加载破坏JVM正常运行的字节码文件，比如说加载一个自己写的java.util.HashMap.class。这样就有可能造成包冲突问题。

类加载器种类

• 启动类加载器：用于加载jdk中rt.jar的字节码文件
• 扩展类加载器：用于加载jdk中/jre/lib/ext文件夹下的字节码文件
• 应用程序类加载器：加载classPath下的字节码文件
• 自定义类加载器：用户在程序中自己定义的加载器

源码分析

1、ClassLoader.loadClass()

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
    	// 加锁
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            // 如果这个Class对象还没有被加载，下面就准备加载
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                	// 查看当前类加载器有没有父类加载器
                    if (parent != null) {
                    	// 父类加载器来加载字节码文件
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }
				// 如果父类加载器也没有加载这个Class对象，就由自己来加载
                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 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;
        }
    }

不遵守双亲委派加载模型的例子

双亲委派加载模型仅仅是一个约定，后面实现类加载器时，是可以不遵守这个约定。ClassLoader是在JDK1.0的时候就设计好的，而双亲委派加载模型在JDK1.2引入的。所以，有些机制是没有遵守这个约定的。比如：Service Provider Interface机制的JDBC就没有遵守这个约定。

1、为什么JDBC无法遵守这个约定？
JDBC是SPI机制的一个例子，JDK定义了java.sql.Connection核心接口，后续MySQL、Oracle为其提供实现类。在运行中是通过java.sql.DriverManager来获取指定实现类的实例。这里需要明白三个问题：

• java.sql.DriverManager是在rt.jar中，由核心类加载器加载的；
• 第三方所提供Collection的实现类都是在classpath中；
• 类中方法想加载新的字节码文件时，其初始类加载器就是当前这个类的定义类加载器；

也就是说当JVM在java.sql.DriverManager类的getConnection()方法中获取Collection实现类的字节码时，当前类的定义类加载器是启动类加载器，而按照约定启动类加载器是不允许加载classpath下的字节码。所以，JDBC就无法遵守这个约定。

2、JDBC是如何解决上面的问题的？
为了解决这个，java在线程中放入一个类加载器Thread.currentThread().getContextClassLoader()；而这个类加载器可以是随意的。比如你想加载classpath包下的字节码文件，只需要设置当前线程的类加载器为应用程序类加载器即可。

JVM类加载过程

JVM本质的工作就是读取字节码文件、执行字节码文件中的指令。其中JVM将读取字节码文件的过程称为JVM类加载过程。

JVM读取的字节码文件将放在方法区里；

JVM类加载机制分为五个部分：加载、验证、准备、解析、初始化。如下图所示：

一、Loading：加载

这一步是将JVM外的字节码文件加载到JVM内部方法区中的Class对象。

JVM可以通过几种方式来加载外部的字节码文件？

• 从本地读字节码文件；
• 从网络读取字节码文件；
• 通过动态生成的字节码文件；

初始类加载器和定义类加载器

由于双亲委派加载模型的存在，一个Class对象的初始类加载器initiating class loader和定义类加载器defining class loader有可能不是同一个。

• 初始类加载器：它是指让JVM加载这个字节码文件
• 定义类加载器：它是真正调用defineClass方法，将字节码转换成Class对象

java在判断instanceof时，只有类名、defining class loader都相等，才表示是同一个类的实例。

Class.getClassLoader()得到的是定义类加载器

相关实验代码

1、验证使用不同ClassLoader加载字节码文件

// 这种方法是不遵守双亲委派加载模型的约定
public class ClassLoaderLoading {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
        // 这个Class对象是由当前方法的类加载器加载
        Class c1 = MiniJVM.class;
        Class c2 = new MyClassLoader().loadClass("com.github.hcsp.MiniJVM");
        // 使用c2创建一个MiniJVM实例
        Object o = c2.getConstructor().newInstance();
        System.out.println(o instanceof MiniJVM);
        MiniJVM demo = (MiniJVM) o;
    }

    private static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        @Override
        public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            if (name.contains("MiniJVM")) {
                try {
                    byte[] bytes = Files.readAllBytes(new File("target/classes/com/github/hcsp/MiniJVM.class").toPath());
                    return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            } else {
                return super.loadClass(name);
            }
        }
    }
}

2、实现一个遵守双亲委派加载模型的类加载器

public class ClassLoaderLoading {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class c1 = MiniJVM.class;
        Class c2 = new MyClassLoader(ClassLoader.getSystemClassLoader()).loadClass("com.github.hcsp.MiniJVM");
        System.out.println("c2 = " + c2);
    }

    private static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        public MyClassLoader(ClassLoader systemClassLoader) {
            super(systemClassLoader);
        }
        
        @Override
        public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            // 加载你想让这个类加载器加载的字节码文件
            if (name.contains("MiniJVM")) {
                try {
                    byte[] bytes = Files.readAllBytes(new File("target/classes/com/github/hcsp/MiniJVM.class").toPath());
                    return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            } else {
                // 其他的字节码文件交由父类加载器加载
                return super.loadClass(name);
            }
        }
    }
}

二、Linking：链接

当一个.java文件编译成.class文件时，里面含有一个符号引用，比如/java/utils/HashMap。Linking是指将这符号引用与具体的class对象链接起来。

每个字节码结构都有一个运行时常量池，它会存储每个符号引用和所对应的具体对象，以此实现链接。

• Verification：验证字节码的正确性
• Preparation：为static成员赋默认初始值
• Resolution：解析当前字节码里包含的其他符号引用

三、Initializing

执行初始化方法。比如下面的四个虚拟机指令：new、getstatic、putstatic、invokestatic

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