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标题: JVM加载class文件的原理机制 [打印本页]

作者: java 时间: 2019-4-27 15:07
标题: JVM加载class文件的原理机制
https://www.imooc.com/article/21124

什么是类加载器？
类加载器（ClassLoader）就是在系统运行过程中动态的将字节码文件加载到 JVM 中的工具，是一个类。基于这个工具的整套类加载流程，我们称作类加载机制。我们在 IDE 中编写的都是源代码文件，以后缀名为 .java 的文件形式存在于磁盘上，通过编译后生成后缀名为 .class 的字节码文件，ClassLoader 加载的就是这些字节码文件。

有哪些类加载器？
Java 默认提供了三个 ClassLoader，分别是根加载器(BootStrapClassLoader)、扩展类加载器(ExtClassLoader)、应用类加载器(AppClassLoader)，依次前者分别是后者的「父加载器」。父加载器不是「父类」，三者之间没有继承关系，只是因为类加载的流程使三者之间形成了父子关系。
还有一种是用户自定义类加载器(java.lang.ClassLoader的子类)。从Java 2(JDK 1.2)开始，类加载过程采取了双亲委托机制(PDM)，PDM更好的保证了Java平台的安全性。在该机制中，JVM自带的BootStrapClassLoader是根加载器，其他的加载器都有且仅有一个父类加载器。类的加载首先请求父类加载器加载，父类加载器无能为力时才由其子类加载器自行加载。JVM不会向Java程序提供对BootStrapClassLoader的引用。

双亲委派机制工作过程
双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。
说明：
“双亲委派”机制只是Java推荐的机制，并不是强制的机制。
我们可以继承java.lang.ClassLoader类，实现自己的类加载器。如果想保持双亲委派模型，就应该重写findClass(name)方法；如果想破坏双亲委派模型，可以重写loadClass(name)方法。

为什么需要双亲委派机制
为什么需要双亲委派模型？假设没有双亲委派模型，试想一个场景：
黑客自定义一个java.lang.String类，该String类具有系统的String类一样的功能，只是在某个函数稍作修改。比如equals函数，这个函数经常使用。如果在这这个函数中，黑客加入一些“病毒代码”，并且通过自定义类加载器加入到JVM中。此时，如果没有双亲委派模型，那么JVM就可能误以为黑客自定义的java.lang.String类是系统的String类，导致“病毒代码”被执行。
而有了双亲委派模型，黑客自定义的java.lang.String类永远都不会被加载进内存。因为首先是最顶端的类加载器加载系统的java.lang.String类，最终自定义的类加载器无法加载java.lang.String类
或许你会想，我在自定义的类加载器里面强制加载自定义的java.lang.String类，不去通过调用父加载器不就好了吗?确实，这样是可行。但是，在JVM中，判断一个对象是否是某个类型时，如果该对象的实际类型与待比较的类型的类加载器不同，那么会返回false。

举个简单例子：
ClassLoader1、ClassLoader2都加载java.lang.String类，对应Class1、Class2对象。那么Class1对象不属于ClassLoad2对象加载的java.lang.String类型。

下面是关于几个类加载器的说明：
BootStrapClassLoader：根加载器，它是脱离 Java 语言，使用 C/C++ 编写的类加载器，所以当你尝试使用 ExtClassLoader 的实例调用 getParent() 方法，获取其父加载器时会得到一个 null 值，比如调用String.class.getClassLoader()。

　　根加载器会默认加载系统变量 sun.boot.class.path 指定的类库（jar 文件和 .class 文件），默认是 $JRE_HOME/lib 下的类库，如 rt.jar、resources.jar 等，具体可以输出该环境变量的值来查看。

除了加载这些默认的类库外，也可以使用 JVM 参数 -Xbootclasspath/a 来追加额外需要让根加载器加载的类库。比如我们自定义一个 com.ganpengyu.boot.DateUtils 类来让根加载器加载。

我们将其制作成一个名为 gpy-boot 的 jar 包放到 /Users/yu/Desktop/lib 下，然后写一个测试类去尝试加载 DateUtils。

运行这个测试类：

可以看到输出为 true，也就是说加载 com.enjoy.boot.DateUtils 的类加载器在 Java 中无法获得其引用，而任何类都必须通过类加载器加载才能被使用，所以推断出这个类是被 BootStrapClassLoader 加载的，也证明了 -Xbootclasspath/a 参数确实可以追加需要被根加载器额外加载的类库。

总之，对于 BootStrapClassLoader 这个根加载器我们需要知道三点：

根加载器使用 C/C++ 编写，我们无法在 Java 中获得其实例
根加载器默认加载系统变量 sun.boot.class.path 指定的类库
可以使用 -Xbootclasspath/a 参数追加根加载器的默认加载类库

ExtClassLoader：扩展类加载器，它是一个使用 Java 实现的类加载器（sun.misc.Launcher.ExtClassLoader），用于加载系统所需要的扩展类库。默认加载系统变量 java.ext.dirs 指定位置下的类库，通常是 $JRE_HOME/lib/ext 目录下的类库。

我们可以在启动时修改java.ext.dirs 变量的值来修改扩展类加载器的默认类库加载目录，但通常并不建议这样做。如果我们真的有需要扩展类加载器在启动时加载的类库，可以将其放置在默认的加载目录下。

总之，对于 ExtClassLoader 这个扩展类加载器我们需要知道两点：

扩展类加载器是使用 Java 实现的类加载器，我们可以在程序中获得它的实例并使用。
通常不建议修改java.ext.dirs 参数的值来修改默认加载目录，如有需要，可以将要加载的类库放到这个默认目录下。

AppClassLoader：应用类加载器，它和 ExtClassLoader 一样，也是使用 Java 实现的类加载器（sun.misc.Launcher.AppClassLoader）。它的作用是加载应用程序 classpath 下所有的类库。它是应用最广泛的类加载器，是我们最常打交道的类加载器，我们在程序中调用的很多 getClassLoader() 方法返回的都是它的实例。在我们自定义类加载器时如果没有特别指定，那么我们自定义的类加载器的默认父加载器也是这个应用类加载器。

总之，对于 AppClassLoader 这个应用类加载器我们需要知道三点：

应用类加载器是使用 Java 实现的类加载器，负责加载应用程序 classpath 下的类库。
应用类加载器是和我们最常打交道的类加载器。
没有特别指定的情况下，自定义类加载器的父加载器就是应用类加载器。

自定义类加载器：
除了上述三种 Java 默认提供的类加载器外，我们还可以通过继承 java.lang.ClassLoader 来自定义一个类加载器。如果在创建自定义类加载器时没有指定父加载器，那么默认使用 AppClassLoader 作为父加载器。

类加载器的启动顺序
上文已经提到过 BootStrapClassLoader 是一个使用 C/C++ 编写的类加载器，它已经嵌入到了 JVM 的内核之中。当 JVM 启动时，BootStrapClassLoader 也会随之启动并加载核心类库。当核心类库加载完成后，BootStrapClassLoader 会创建 ExtClassLoader 和 AppClassLoader 的实例，两个 Java 实现的类加载器将会加载自己负责路径下的类库，这个过程我们可以在 sun.misc.Launcher 中窥见。

原理：
JVM中类的加载是由类加载器（ClassLoader）和它的子类来实现的。Java中的类加载器是一个重要的Java运行时系统组件，它负责在运行时查找和装入类文件中的类。
由于Java的跨平台性，经过编译的Java源程序并不是一个可执行程序，而是一个或多个类文件。当Java程序需要使用某个类时，JVM会确保这个类已经被加载、连接（验证、准备和解析）和初始化。
一、类的加载是指把类的.class文件中的数据读入到内存中，通常是创建一个字节数组读入.class文件，然后产生与所加载类对应的Class对象。加载完成后Class对象还不完整，所以此时的类还不可用。
二、当类被加载后就进入连接阶段，这一阶段包括验证、准备（为静态变量分配内存并设置默认的初始值）和解析（将符号引用替换为直接引用）三个步骤。
三、最后JVM对类进行初始化，包括：1)如果类存在直接的父类并且这个类还没有被初始化，那么就先初始化父类；2)如果类中存在初始化语句，就依次执行这些初始化语句。

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作者：Oraclea
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来源：慕课网

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