(二十七)JVM类加载器机制与类加载过程
一、Java虚拟机启动、加载类过程分析
下面我将定义一个非常简单的java程序并运行它,来逐步分析java虚拟机启动的过程。
package org.luanlouis.jvm.load; import sun.security.pkcs11.P11Util; /** * Created by louis on 2016/1/16. */ public class Main{ public static void main(String[] args) { System.out.println("Hello,World!"); ClassLoader loader = P11Util.class.getClassLoader(); System.out.println(loader); } }
在windows命令行下输入:
java org.luanlouis.jvm.load.Main当输入上述的命令时:
windows开始运行{JRE_HOME}/bin/java.exe程序,java.exe 程序将完成以下步骤:
1. 根据JVM内存配置要求,为JVM申请特定大小的内存空间;
2. 创建一个引导类加载器实例,初步加载系统类到内存方法区区域中;
3. 创建JVM 启动器实例 Launcher,并取得类加载器ClassLoader;
4. 使用上述获取的ClassLoader实例加载我们定义的 org.luanlouis.jvm.load.Main类;
5. 加载完成时候JVM会执行Main类的main方法入口,执行Main类的main方法;
6. 结束,java程序运行结束,JVM销毁。
1.1Step 1 根据JVM内存配置要求,为JVM申请特定大小的内存空间
为了不降低本文的理解难度,这里就不详细介绍JVM内存配置要求的话题,今概括地介绍一下内存的功能划分。
JVM启动时,按功能划分,其内存应该由以下几部分组成:
如上图所示,JVM内存按照功能上的划分,可以粗略地划分为方法区(Method Area) 和堆(Heap),而所有的类的定义信息都会被加载到方法区中。
1.2 Step 2. 创建一个引导类加载器实例,初步加载系统类到内存方法区区域中;
JVM申请好内存空间后,JVM会创建一个引导类加载器(Bootstrap Classloader)实例,引导类加载器是使用C++语言实现的,负责加载JVM虚拟机运行时所需的基本系统级别的类,如java.lang.String, java.lang.Object等等。
引导类加载器(Bootstrap Classloader)会读取 {JRE_HOME}/lib 下的jar包和配置,然后将这些系统类加载到方法区内。
本例中,引导类加载器是用 {JRE_HOME}/lib加载类的,不过,你也可以使用参数 -Xbootclasspath 或 系统变量sun.boot.class.path来指定的目录来加载类。
一般而言,{JRE_HOME}/lib下存放着JVM正常工作所需要的系统类,如下表所示:
文件名 | 描述 |
---|---|
rt.jar | 运行环境包,rt即runtime,J2SE 的类定义都在这个包内 |
charsets.jar | 字符集支持包 |
jce.jar | 是一组包,它们提供用于加密、密钥生成和协商以及 Message Authentication Code(MAC)算法的框架和实现 |
jsse.jar | 安全套接字拓展包Java(TM) Secure Socket Extension |
classlist | 该文件内表示是引导类加载器应该加载的类的清单 |
net.properties | JVM 网络配置信息 |
引导类加载器(Bootstrap ClassLoader) 加载系统类后,JVM内存会呈现如下格局:
- 引导类加载器将类信息加载到方法区中,以特定方式组织,对于某一个特定的类而言,在方法区中它应该有
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。
,由于这些类是由引导类加载器(Bootstrap Classloader)进行加载的,而 引导类加载器是有C++语言实现的,所以是无法访问的,故而该引用为类加载器的引用
NULL
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。
1.3 Step 3. 创建JVM 启动器实例 Launcher,并取得类加载器ClassLoader
上述步骤完成,JVM基本运行环境就准备就绪了。接着,我们要让JVM工作起来了:运行我们定义的程序 org.luanlouis,jvm.load.Main。
此时,JVM虚拟机调用已经加载在方法区的类sun.misc.Launcher 的静态方法getLauncher(), 获取sun.misc.Launcher 实例:
sun.misc.Launcher 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。
在Launcher的内部,其定义了两个类加载器(ClassLoader),分别是sun.misc.Launcher.ExtClassLoader
和sun.misc.Launcher.AppClassLoader
,这两个类加载器分别被称为拓展类加载器(Extension ClassLoader) 和 应用类加载器(Application ClassLoader).如下图所示:
图例注释:除了引导类加载器(Bootstrap Class Loader )的所有类加载器,都有一个能力,就是判断某一个类是否被引导类加载器加载过,如果加载过,可以直接返回对应的Class<T> instance,如果没有,则返回null. 图上的指向引导类加载器的虚线表示类加载器的这个有限的访问 引导类加载器的功能。
此时的 launcher.getClassLoader() 方法将会返回 AppClassLoader 实例,AppClassLoader将ExtClassLoader作为自己的父加载器。
当AppClassLoader加载类时,会首先尝试让父加载器ExtClassLoader进行加载,如果父加载器ExtClassLoader加载成功,则AppClassLoader直接返回父加载器ExtClassLoader加载的结果;如果父加载器ExtClassLoader加载失败,AppClassLoader则会判断该类是否是引导的系统类(即是否是通过Bootstrap类加载器加载,这会调用Native方法进行查找);若要加载的类不是系统引导类,那么ClassLoader将会尝试自己加载,加载失败将会抛出“ClassNotFoundException”。
具体AppClassLoader的工作流程如下所示:
1.4 Step 4. 使用类加载器ClassLoader加载Main类
通过 launcher.getClassLoader()方法返回AppClassLoader实例,接着就是AppClassLoader加载 org.luanlouis.jvm.load.Main类的时候了。
上述定义的org.luanlouis.jvm.load.Main类被编译成org.luanlouis.jvm.load.Main class二进制文件,这个class文件中有一个叫常量池(Constant Pool)的结构体来存储该class的常亮信息。常量池中有CONSTANT_CLASS_INFO类型的常量,表示该class中声明了要用到那些类:
当AppClassLoader要加载 org.luanlouis.jvm.load.Main类时,会去查看该类的定义,发现它内部声明使用了其它的类: sun.security.pkcs11.P11Util、java.lang.Object、java.lang.System、java.io.PrintStream、java.lang.Class;org.luanlouis.jvm.load.Main类要想正常工作,首先要能够保证这些其内部声明的类加载成功。所以AppClassLoader要先将这些类加载到内存中。(注:为了理解方便,这里没有考虑懒加载的情况,事实上的JVM加载类过程比这复杂的多)
加载顺序:
- 1. 加载java.lang.Object、java.lang.System、java.io.PrintStream、java,lang.Class
AppClassLoader尝试加载这些类的时候,会先委托ExtClassLoader进行加载;而ExtClassLoader发现不是其加载范围,其返回null;AppClassLoader发现父类加载器ExtClassLoader无法加载,则会查询这些类是否已经被BootstrapClassLoader加载过,结果表明这些类已经被BootstrapClassLoader加载过,则无需重复加载,直接返回对应的Class<T>实例;
- 2. 加载sun.security.pkcs11.P11Util
此在{JRE_HOME}/lib/ext/sunpkcs11.jar包内,属于ExtClassLoader负责加载的范畴。AppClassLoader尝试加载这些类的时候,会先委托ExtClassLoader进行加载;而ExtClassLoader发现其正好属于加载范围,故ExtClassLoader负责将其加载到内存中。ExtClassLoader在加载sun.security.pkcs11.P11Util时也分析这个类内都使用了哪些类,并将这些类先加载内存后,才开始加载sun.security.pkcs11.P11Util,加载成功后直接返回对应的Class<sun.security.pkcs11.P11Util>实例;
- 3. 加载org.luanlouis.jvm.load.Main
AppClassLoader尝试加载这些类的时候,会先委托ExtClassLoader进行加载;而ExtClassLoader发现不是其加载范围,其返回null;AppClassLoader发现父类加载器ExtClassLoader无法加载,则会查询这些类是否已经被BootstrapClassLoader加载过。而结果表明BootstrapClassLoader 没有加载过它,这时候AppClassLoader只能自己动手负责将其加载到内存中,然后返回对应的Class<org.luanlouis.jvm.load.Main>实例引用;
以上三步骤都成功,才表示classLoader.loadClass("org.luanlouis.jvm.load.Main")完成,上述操作完成后,JVM内存方法区的格局会如下所示:
如上图所示:
- JVM方法区的类信息区是按照类加载器进行划分的,每个类加载器会维护自己加载类信息;
- 某个类加载器在加载相应的类时,会相应地在JVM内存堆(Heap)中创建一个对应的Class<T>,用来表示访问该类信息的入口
1.5 Step 5. 使用Main类的main方法作为程序入口运行程序
1.6 Step 6. 方法执行完毕,JVM销毁,释放内存
二、类加载器有哪些?其组织结构是怎样的?
类加载器(Class Loader):顾名思义,指的是可以加载类的工具。JVM自身定义了三个类加载器:引导类加载器(Bootstrap Class Loader)、拓展类加载器(Extension Class Loader )、应用加载器(Application Class Loader)。当然,我们有时候也会自己定义一些类加载器来满足自身的需要。
引导类加载器(Bootstrap Class Loader): 该类加载器使JVM使用C/C++底层代码实现的加载器,用以加载JVM运行时所需要的系统类,这些系统类在{JRE_HOME}/lib目录下。由于类加载器是使用平台相关的底层C/C++语言实现的, 所以该加载器不能被Java代码访问到。但是,我们可以查询某个类是否被引导类加载器加载过。我们经常使用的系统类如:java.lang.String,java.lang.Object,java.lang*....... 这些都被放在 {JRE_HOME}/lib/rt.jar包内, 当JVM系统启动的时候,引导类加载器会将其加载到 JVM内存的方法区中。
拓展类加载器(Extension Class Loader): 该加载器是用于加载 java 的拓展类 ,拓展类一般会放在 {JRE_HOME}/lib/ext/ 目录下,用来提供除了系统类之外的额外功能。拓展类加载器是是整个JVM加载器的Java代码可以访问到的类加载器的最顶端,即是超级父加载器,拓展类加载器是没有父类加载器的。
应用类加载器(Applocatoin Class Loader): 该类加载器是用于加载用户代码,是用户代码的入口。我经常执行指令 java xxx.x.xxx.x.x.XClass , 实际上,JVM就是使用的AppClassLoader加载 xxx.x.xxx.x.x.XClass 类的。应用类加载器将拓展类加载器当成自己的父类加载器,当其尝试加载类的时候,首先尝试让其父加载器-拓展类加载器加载;如果拓展类加载器加载成功,则直接返回加载结果Class<T> instance,加载失败,则会询问是否引导类加载器已经加载了该类;只有没有加载的时候,应用类加载器才会尝试自己加载。由于xxx.x.xxx.x.x.XClass是整个用户代码的入口,在Java虚拟机规范中,称其为 初始类(Initial Class).
用户自定义类加载器(Customized Class Loader):用户可以自己定义类加载器来加载类。所有的类加载器都要继承java.lang.ClassLoader类。
三、双亲加载模型的逻辑和底层代码实现是怎样的?
上面已经不厌其烦地讲解什么是双亲加载模型,以及其机制是什么,这些东西都是可以通过底层代码查看到的。
我们也可以通过JDK源码看java.lang.ClassLoader的核心方法 loadClass()的实现:
//提供class类的二进制名称表示,加载对应class,加载成功,则返回表示该类对应的Class<T> instance 实例 public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException { return loadClass(name, false); } protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // 首先,检查是否已经被当前的类加载器记载过了,如果已经被加载,直接返回对应的Class<T>实例 Class<?> c = findLoadedClass(name); //初次加载 if (c == null) { long t0 = System.nanoTime(); try { if (parent != null) { //如果有父类加载器,则先让父类加载器加载 c = parent.loadClass(name, false); } else { // 没有父加载器,则查看是否已经被引导类加载器加载,有则直接返回 c = findBootstrapClassOrNull(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { // ClassNotFoundException thrown if class not found // from the non-null parent class loader } // 父加载器加载失败,并且没有被引导类加载器加载,则尝试该类加载器自己尝试加载 if (c == null) { // If still not found, then invoke findClass in order // to find the class. long t1 = System.nanoTime(); // 自己尝试加载 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(); } } //是否解析类 if (resolve) { resolveClass(c); } return c; } }
相对应地,我们可以整理出双亲模型的工作流程图:
相信读者看过这张图后会对双亲加载模型有了非常清晰的脉络。当然,这是JDK自身默认的加载类的行为,我们可以通过继承复写该方法,改变其行为。
四、类加载器与Class<T> 实例的关系
五、线程上下文加载器
Java 任何一段代码的执行,都有对应的线程上下文。如果我们在代码中,想看当前是哪一个线程在执行当前代码,我们经常是使用如下方法:
相应地,我们可以为当前的线程指定类加载器。在上述的例子中, 当执行 java org.luanlouis.jvm.load.Main 的时候,JVM会创建一个Main线程,而创建应用类加载器AppClassLoader的时候,会将AppClassLoader 设置成Main线程的上下文类加载器:
线程上下文类加载器是从线程的角度来看待类的加载,为每一个线程绑定一个类加载器,可以将类的加载从单纯的 双亲加载模型解放出来,进而实现特定的加载需求。