深入JVM内核（六）——类装载器

秒速五厘米 2022-05-17 08:14 135阅读 0赞

**由于之前看的容易忘记，因此特记录下来，以便学习总结与更好理解，该系列博文也是第一次记录，所有有好多不完善之处请见谅与留言指出，如果有幸大家看到该博文，希望报以参考目的看浏览，如有错误之处，谢谢大家指出与留言。**

# **一、class装载验证流程** #

1、加载

2、链接

连接又可以分为三步：

（1）、验证

（2）、准备

（3）、解析

3、初始化

## **（一）、class装载验证流程 -加载** ##

1、装载类的第一个阶段

2、取得类的二进制流（通过不同方式取得二进制流的内容）

3、转为方法区数据结构

4、在Java堆中生成对应的java.lang.Class对象

## （二）、class装载验证流程 -链接 验证 ##

1、链接 -> 验证 ： 是连接的第一步

目的：保证Class流的格式是正确的

（1）文件格式的验证

a.是否以0xCAFEBABE开头(class文件都是以这开头的，不是则不是正确的)

b.版本号是否合理

（2）元数据验证（看基本的数据是否合理，就是检查基本的语义是否合理，是否正确的）

a.是否有父类(比如一个父类或方法不存在，等，都是不真孤儿)

b.继承了final类？

c.非抽象类实现了所有的抽象方法

（3）字节码验证 (很复杂)

a.运行检查

b.栈数据类型和操作码数据参数吻合

c.跳转指令指定到合理的位置

（4）.符号引用验证

a.常量池中描述类是否存在

c.访问的方法或字段是否存在且有足够的权限

所有的检查都是大部分，不可能是全部都能验证全，但如果不经过验证则一定是错误的

2、链接 -> 准备

分配内存，并为类设置初始值 （方法区中）

public static int v=1;

在准备阶段中，v会被设置为0

在初始化的<clinit>中才会被设置为1（比如在static和final则是例外，在准备阶段则已经初始化置为1）

对于static final类型，在准备阶段就会被赋上正确的值

public static final  int v=1;

3、链接 -> 解析

符号引用替换为直接引用（符号不能真正被使用，只是被引用，直接真正的引用则是通过指针与地址）

符号引用：字符串 引用对象不一定被加载

直接引用：指针或者地址偏移量 引用对象一定在内存

![70][]

## （三）、class装载验证流程 – 初始化 ##

1、执行类构造器<clinit>（clinit表示类初始化）下面则是类初始化就会被初始化

static变量 赋值语句

static\{\}语句

2、子类的<clinit>调用前保证父类的<clinit>被调用

3、<clinit>（类初始化）是线程安全的，一个类初始化时其他类则等待。

## （四）、class装载验证流程-总结 ##

Java.lang.NoSuchFieldError错误可能在什么阶段抛出

# 二、什么是类装载器ClassLoader #

1、ClassLoader是一个抽象类

2、ClassLoader的实例将读入Java字节码将类装载到JVM中

3、ClassLoader可以定制，满足不同的字节码流获取方式(可以从网络中加载class文件，从文件中加载等等方式)

4、ClassLoader负责类装载过程中的**加载阶段**（他只负责把类读进来）

# 三、JDK中ClassLoader默认设计模式 #

1、ClassLoader的重要方法

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException

载入class并返回一个Class

protected final Class<?> defineClass(byte\[\] b, int off, int len)--------->byte\[\]指的是二进制流的class文件

定义一个类，不公开调用

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException

findClass时  loadClass回调该方法，自定义ClassLoader的推荐做法，去重载这个方法

protected final Class<?> findLoadedClass(String name)

寻找已经加载的类，已经加载则不会二次进行加载

## （一）、JDK中ClassLoader默认设计模式 – 分类 ##

1、BootStrap ClassLoader （启动ClassLoader）

2、Extension ClassLoader （扩展ClassLoader）

3、App ClassLoader （应用ClassLoader/系统ClassLoader）这个classloader去加载跟我们应用相关的class。

4、Custom ClassLoader(自定义ClassLoader)

5、每个ClassLoader都有一个Parent作为父亲

## （二）、JDK中ClassLoader默认设计模式 – 协同工作 ##

JDK中classloader括谱图：

![70 1][]

工作顺序如下图：

![70 2][]

自底向上检查类是否已经加载；跟我们应用相关的，也是最主要的则是App ClassLoader这个加载器，我们自己写的类都是加载在这个地方的。什么是自底向上检查类是否已经加载呢？就是当我们去找一个类的时候，会在当前class类中去找。因此他会在App ClassLoader中去找我们写的类中是否已经加载这个类。如果自己写的class没没有做找到，他不会去做加载。他会把这个请求传给他的父类，也就是Extension ClassLoader.(扩展classLoader),徐问他是否这个class类。他也是一样，会在当前自己的class类中去找，找到则返回，否者继续去他的父类中去找。如果最近没有找到，则会去加载所需要的这个类。

而，加载则是相反的，可以这么理解，他是自底向上的询问，那么到了最顶端，则开始自上而下的去加载：他不会再在某个阶段的classloader找不到时就去加载这个类。

![70 3][]

他是会去由启动ClassLoader去加载，加载成功则返回，如果加载失败；，则会去扩展classLoader去加载，如果也失败，则会去让AppclassLoader去加载

r![70 4][]

![70 5][]rt.jar这个是启动classLoader的架包，他也是系统的核心类.所以启动classLoader，则区加载这个架包中的所有类。当然在jvm启动时可以去配置后面-Xbootclasspath这个参数，去启动这个类的路径，那么这个里面的class也会存在启动classLoader里面的。

![70 6][]我们这个路径下的jar包都会被这个扩展ClassLoader所加载。

![70 7][]而我们classpath下载类都是被appClassLoader所加载。

下面则是classLoader代码实现

![70 8][]

（1）![70 9][]他先去找，找不到，则去加载。

2、下面案例测试加载顺序：

![70 10][]

上面则可以看出他是加载在appclassloader中的，因为他们是在我们创建的findorder包中的，下面演示把他们放在如下图的右上角中位置，这个位置可以是当前系统中任何位置，他跟我们classpth是没关系的。

![70 11][]

然后通过下面来测试他们两个的当执行main函数时，他们是如何找到这两个类的。

1、直接运行上面代码：我们可以发现他是加载在appclassloader中的

I am in apploader

2、加上参数 -Xbootclasspath/a:D:/tmp/clz   （当我们加上这个参数，指定他的加载位置及上面右上角的位置时，我们可以看到如下：）

I am in bootloader

此时AppLoader中不会加载HelloLoader（因为他找不到这个类了，然后他由当前往上找也没有找到，那他就开始加载，以为在bootloader指定了这个类，所以他加载成功）

也就是 I am in apploader 在classpath中却没有加载

因此由上： 说明类加载是从上往下的

下面强制它在apploader中加载

public static void main(String args[]) throws Exception {
    	ClassLoader cl=FindClassOrder2.class.getClassLoader();
    	byte[] bHelloLoader=loadClassBytes("geym.jvm.ch6.findorder.HelloLoader");
    	Method md_defineClass=ClassLoader.class.getDeclaredMethod("defineClass", byte[].class,int.class,int.class);
    	md_defineClass.setAccessible(true);
    	md_defineClass.invoke(cl, bHelloLoader,0,bHelloLoader.length);
    	md_defineClass.setAccessible(false);
    	
    	HelloLoader loader = new HelloLoader();
    	System.out.println(loader.getClass().getClassLoader());
    	loader.print();
    }

![70 12][]通过反射去调用这个方法。

\-Xbootclasspath/a:D:/tmp/clz  对于这个程序依然用这个参数。运行如下面结果：

I am in apploader   这是因为之前我们强行的让Appclassloader去加载这个类。

因为开始在查找类的时候，先在底层的Loader查找，是从下往上的。Apploader能找到，就不会去上层加载器加载

5、能否只用反射，仿照上面的写法，将类注入启动ClassLoader呢？

## （三）、JDK中ClassLoader默认设计模式 – 问题 ##

![70 13][]

上面介绍的加载过程其实是jdk中的双亲模式，因为我们看到每个clasLoader都会有一个parent,一个父亲，但是这个父亲不是他的super的class，不是他的超类，而他的内部会聚集一个classloader类,作为他的parent,当每次加载或者去找类的时候，会去委托这个parentq去做一些事情，但是这个模式存在一个小问题。 顶层ClassLoader，无法加载底层ClassLoader的类，也就是说在启动的这个classLoader里面无法生成加载 appClassLoader中的任何一个类。既然无法加载这个类，也就没有办法去生成这个类的实例对象。

**双亲模式的问题**： 顶层ClassLoader，无法加载底层ClassLoader的类

![70 14][]

Java框架(rt.jar)如何加载应用的类？

javax.xml.parsers包中定义了xml解析的类接口 Service Provider Interface SPI 位于rt.jar 即接口在启动ClassLoader中。 而SPI的实现类，在AppLoader。

## （四）、JDK中ClassLoader默认设计模式 – 解决（解决双亲问题） ##

1、Thread. setContextClassLoader()

-》上下文加载器

-》是一个角色

-》用以解决顶层ClassLoader无法访问底层ClassLoader的类的问题

-》基本思想是，在顶层ClassLoader中，传入底层ClassLoader的实例

static private Class getProviderClass(String className, ClassLoader cl,
            boolean doFallback, boolean useBSClsLoader) throws ClassNotFoundException
    {
        try {
            if (cl == null) {
                if (useBSClsLoader) {
                    return Class.forName(className, true, FactoryFinder.class.getClassLoader());
                } else {
                    cl = ss.getContextClassLoader();
                    if (cl == null) {
                        throw new ClassNotFoundException();
                    }
                    else {
                        return cl.loadClass(className); //使用上下文ClassLoader
                    }
                }
            }
            else {
                return cl.loadClass(className);
            }
        }
        catch (ClassNotFoundException e1) {
            if (doFallback) {
                // Use current class loader - should always be bootstrap CL
                return Class.forName(className, true, FactoryFinder.class.getClassLoader());
            }
    …..

代码来自于 javax.xml.parsers.FactoryFinder 展示如何在启动类加载器加载AppLoader的类

代码中可看书cl就是上下文的加载器

上下文ClassLoader可以突破双亲模式的局限性

6、双亲模式的破坏

**双亲模式是默认的模式，但不是必须这么做**

**破坏的方式有很多种，如下面：**

1.Tomcat的WebappClassLoader 就会先加载自己的Class，找不到再委托parent

2.OSGi的ClassLoader形成网状结构，根据需要自由加载Class

7、破坏双亲模式例子-  先从底层ClassLoader加载

OrderClassLoader的部分实现

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        // First, check if the class has already been loaded
        Class re=findClass(name);
        if(re==null){
            System.out.println(“无法载入类:”+name+“ 需要请求父加载器");
            return super.loadClass(name,resolve);   通过父类委托去加载
        }
        return re;
    }

protected Class<?> findClass(String className) throws ClassNotFoundException {
    Class clazz = this.findLoadedClass(className);
    if (null == clazz) {
        try {
            String classFile = getClassFile(className);
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classFile);
            FileChannel fileC = fis.getChannel();
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            WritableByteChannel outC = Channels.newChannel(baos);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
             省略部分代码
            fis.close();
            byte[] bytes = baos.toByteArray();
    
            clazz = defineClass(className, bytes, 0, bytes.length);
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    return clazz;
    }

下面是使用测试如下

![70 15][]

下面是打印结果：

![70 16][]

这个例子可以看出由底层开始加载。

如果OrderClassLoader不重载loadClass()，只重载findClass，那么程序输出为

![70 17][]

# 四、热替换 #

1、含义：

当一个class被替换后，系统无需重启，替换的类立即生效  比如PHP很容易实现，但java很难实现。

例子： geym.jvm.ch6.hot.CVersionA

public class CVersionA {
    	public void sayHello() {
    		System.out.println("hello world! (version A)");
    	}
    }

2、DoopRun 不停调用CVersionA . sayHello()方法，因此有输出：

hello world! (version A)

3、在DoopRun 的运行过程中，替换CVersionA 为：

public class CVersionA {
    	public void sayHello() {
    		System.out.println("hello world! (version B)");
    	}
    }

4、把class文件在系统中给替换掉；替换后， DoopRun 的输出变为

hello world! (version B)

最后，思考如果通过classloader如何去实现这个功能。

总结：jdk的classloader没有强制大家去使用这个双新模式。因此我们可以重载这个classloader去做很多的事情。比如tomcat、osgi等他们都是破坏双亲模式的产物。因此有这个机制存在才会让我们的程序存在无线的可能性。必须热替换；没有这个机制是无法实现的。因此这个功能给大家带来无限的想像空间。

[70]: /images/20220517/86499e4cffd14763a2a99842f48936bd.png
[70 1]: /images/20220517/98b76a2fd926498fad35409c8e04aba5.png
[70 2]: /images/20220517/4739bca339764abe8b811e28bd254ca8.png
[70 3]: /images/20220517/eb5b462024664e9eaee9f65f563581e1.png
[70 4]: /images/20220517/df4c5aca875444869431a4d83768a072.png
[70 5]: /images/20220517/8f697374267042d4911a47daa46af462.png
[70 6]: /images/20220517/0734079a66bf4207a944e69c9829b6c3.png
[70 7]: /images/20220517/afb5df0268f043c380396c59164ef8d3.png
[70 8]: /images/20220517/2c0b1657af724b76a5b2c9aac96fe374.png
[70 9]: /images/20220517/ac4efee643e548709961ba17ea788643.png
[70 10]: /images/20220517/7b8436f619ba490b8e48fe39234bd922.png
[70 11]: /images/20220517/363e97c40d454af088c333bfaac7b859.png
[70 12]: /images/20220517/539eceddfcee4f59958db3fb9af76d11.png
[70 13]: /images/20220517/1c64a65fb84e41fca27e34adb00bec6c.png
[70 14]: /images/20220517/ca44eb1d1dcd42b5b01d721e94769d5a.png
[70 15]: /images/20220517/894aa91132c543c9a15fa7ed6d5114cc.png
[70 16]: /images/20220517/738ac69d469d4295b2c0971a48224148.png
[70 17]: /images/20220517/ac8ba274ee0b4223847ce86df653af25.png