Java虚拟机：类加载过程

在冯诺依曼的计算机模型中，任何程序都要加载到内存才能与CPU进行交流。字节码.class文件同样需要加载到内存中，才可以实例化。

其中，类加载器ClassLoader的使命就是加载.class文件到内存中。

在加载类时，使用的是Parents Delegation Model，即双亲委派模型。

Java类加载器是一个运行时核心基础设施模块，如下图，主要是在启动之初进行类的加载（Load）、链接（Link）、初始化（Init）。

第一步，Load阶段。

读取.class文件流，并转换为特定的数据结构，初步校验cafe babe魔法数、常量池、文件长度、是否有父类等，然后创建对应类的java.lang.Class实例。

第二步，Link阶段。

包括验证、准备和解析三个步骤。

• 验证：是更详细地校验，比如final是否合规、类型是否正确、静态变量是否合理等。
• 准备：为静态变量分配内存，设定默认初始值。
• 解析：解析类和方法之间相互引用正确性，完成内存布局。

第三步，Init阶段。

执行类构造器的<clinit>方法。

 

类加载器

类加载器类似于原始部落结构，存在权利等级制度。

最高一层是Bootstrap ClassLoader，它是在JVM启动时创建的，是最根基的类加载器，负责装载最核心的Java类，比如Object、System、String等。由C++编写。

第二层是Extension ClassLoader（JDK9之后变为了Platform ClassLoader，平台类加载器）。用以加载扩展的系统类，比如XML、加密、压缩等相关类。Java编写。

第三层是Application ClassLoader，应用类加载器，主要是加载用户自定义classpath下的类。

 

双亲委派模型

结合上图，我们来看一下ClassLoader的loadClass()方法：

/**
    @Param resolve 是否链接
    @Param name 类名
*/
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 首先检查该类是否已经被加载过
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                // 如果父加载器不为空，就用它的父加载器去加载该类
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 到这里的话就是bootstrapClassLoader
                    // 这是一个本地方法，使用bootstrapClassLoader去加载该类
                    // 如果加载不了，就返回空
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
               
            }

            // 如果返回空了，证明其父类加载器不能加载该类
            if (c == null) {

                long t1 = System.nanoTime();
                // 使用自己进行加载
                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();
            }
        }
        // 如果resove为true，就链接
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

 

低层次的当前类加载器，不能覆盖更高层次类加载器已经加载过的类。

如果底层的类加载器想要加载一个未知类，要非常有礼貌的向上级询问：”请问，这个类已经加载了吗？“，被询问的高层类首先要回答自己一个问题：我是否加载过此类？如果答案为否，那么又向上询问，直到Bootstrap ClassLoader为止，如果它也未加载过并且并加载，就会逐层交给下一层类加载器，反应在源码中就是第28行逐层递归退出。

 

我们看一下Bootstrap所有已经加载的类库：

URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
Arrays.asList(urls).forEach(System.out::println);

 

结果：

file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/resources.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/rt.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/jsse.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/jce.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/charsets.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/lib/jfr.jar
file:/D:/Development%20Tools/Java/jdk1.8.0_201/jre/classes

 

Bootstrap的加载路径是可以追加的，不建议修改或删除原有的加载路径。通过-Xbootclasspath/a:参数可以增加类加载路径。

如果想在启动时观察加载了哪个jar包中的类，可以增加-XX:+TraceClassLoading参数，此参数在解决类冲突时非常实用。

 

什么时候需要自定义类加载器？

（1）隔离加载类。在某些框架内进行中间件与应用的模块隔离，把类加载到不同的环境。

（2）修改类加载方式。出了Bootstrap外，其他的加载并非都要引入。

（3）扩展加载源。比如从数据库、网络进行加载。

（4）防止源码泄露。Java代码容易被编译和篡改，可以进行编译加密。那么类加载器也需要自定义。

实现自定义类加载器的步骤：继承ClassLoader，重写findClass()方法，调用defineClass()方法。下面是一个例子：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {

    private String path;
    private String name;

    public MyClassLoader(String path, String name) {
        this.path = path;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] data = null;
        try {
            data = getClassBytes(name);
            return defineClass(name, data, 0, data.length);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    // 获取字节码流
    private byte[] getClassBytes(String className) throws IOException {

        InputStream in = null;
        ByteArrayOutputStream baos = null;
        try {
            int len = 0;
            byte[] bytes = new byte[1024];
            in = new FileInputStream(new File(path + className + ".class"));
            baos = new ByteArrayOutputStream();
            while ((len = in.read(bytes)) != -1) {
                baos.write(bytes, 0, len);
                baos.flush();
            }
        } catch (Exception e) {

        }finally {
            baos.close();
            in.close();
        }
        return baos.toByteArray();
    }
}

public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {

        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("E:\\","my classloader");
        Class clz = classLoader.findClass("Dog");
        Field[] fields = clz.getDeclaredFields();
        System.out.println(Arrays.toString(fields));
}