类加载机制

1、类加载过程

多个java文件经过编译打包生成可运行jar包，最终由java命令运行某个主类的main函数启动程序，这里首先需要通过类加载器把主类加载到JVM。

主类在运行过程中如果使用到其它类，会逐步加载这些类。

注意：jar包里的类不是一次性全部加载的，是使用到时才加载。

类加载到使用整个过程有如下几步：
加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载

加载：在硬盘上查找并通过IO读入字节码文件，使用到类时才会加载，例如调用类的main()方法，new对象等等；
验证：校验字节码文件的正确性；
准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值；
解析：将符号引用替换为直接引用，该阶段会把一些静态方法(符号引用，比如main()方法)替换为指向数据所存内存的指针或句柄等(直接引用)，这是所谓的静态链接过程( 类加载期间完成 )，动态链接是在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用；

使用 javap -c Math.class 或 javap -v Math.class，可以将字节码文件 Math.class 反汇编，可以看到代码都是一个个的符号存在的，在解析的时候会将静态方方法的符号引用替换为指向数据所存内存的指针。

初始化：对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块；

2、类加载器和双亲委派机制

上面的类加载过程主要是通过类加载器来实现的，Java里有如下几种类加载器：

启动类加载器：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的核心类库，比如rt.jar、charsets.jar等；
扩展类加载器：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR类包；
应用程序类加载器：负责加载 ClassPath 路径下的类包，主要就是加载你自己写的那些类；
自定义加载器：负责加载用户自定义路径下的类包；

2.1 自定义启动类加载器（实现 findClass 方法）

自定义类加载器只需要继承 java.lang.ClassLoader 类，该类有两个核心方法：

1、loadClass(String, boolean)，实现了双亲委派机制，大体逻辑；

（1）首先，检查一下指定名称的类是否已经加载过，如果加载过了，就不需要再加载，直接返回。

（2）如果此类没有加载过，那么，再判断一下是否有父加载器；如果有父加载器，则由父加载器加载（即调用parent.loadClass(name, false);）.或者是调用bootstrap类加载器来加载。
2、findClass 方法，默认实现是抛出异常，所以我们自定义类加载器主要是重写 findClass 方法；

public class MyClassLoaderTest {
    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;
 
        public MyClassLoader(String classPath) {
            this.classPath = classPath;
        }

        private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
            try {
               byte[] data = loadByte(name);
               //defineClass将一个字节数组转为Class对象，这个字节数组是class文件读取后最终的字节数组。
             return defineClass(name, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
               e.printStackTrace();
               throw new ClassNotFoundException();
            }
        }
    }
     public static void main(String args[]) throws Exception {
         MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
         Class clazz = classLoader.loadClass("com.yufeng.jvm.User1");
         Object obj = clazz.newInstance();
         Method method= clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
         method.invoke(obj, null);
         System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
     }
}

运行结果： com.yufeng.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader

2.2 双亲委派机制

JVM类加载器是有亲子层级结构的，如下图

这里类加载其实就有一个双亲委派机制，加载某个类时会先委托父加载器寻找目标类，找不到再委托上层父加载器加载，如果所有父加载器在自己的加载类路径下都找不到目标类，则在自己的类加载路径中查找并载入目标类。

比如我们的Math类，最先会找应用程序类加载器加载，应用程序类加载器会先委托扩展类加载器加载，扩展类加载器再委托启动类加载器，顶层启动类加载器在自己的类加载路径里找了半天没找到Math类，则向下退回加载Math类的请求，扩展类加载器收到回复就自己加载，在自己的类加载路径里找了半天也没找到Math类，又向下退回Math类的加载请求给应用程序类加载器，应用程序类加载器于是在自己的类加载路径里找Math类，结果找到了就自己加载了。

双亲委派机制说简单点就是，先找父亲加载，不行再由儿子自己加载。

为什么要设计双亲委派机制？

沙箱安全机制：自己写的 java.lang.String.class 类不会被加载，这样便可以防止核心API库被随意篡改；
避免类的重复加载：当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次，保证被加载类的唯一性；

现在看一个沙箱安全机制示例，尝试打破双亲委派机制，用自定义类加载器加载我们自己实现的 java.lang.String.class

public class MyClassLoaderTest {
    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;

        public MyClassLoader(String classPath) {
           this.classPath = classPath;
        }

        private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
            try {
                 byte[] data = loadByte(name);
                 return defineClass(name, data, 0, data.length);
             } catch (Exception e) {
                 e.printStackTrace();
                 throw new ClassNotFoundException();
             }
        }

         /**
         * 重写类加载方法，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载
         * @param name
         * @param resolve
         * @return
         * @throws ClassNotFoundException
         */
         protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
             synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
                 // First, check if the class has already been loaded
                 Class<?> c = findLoadedClass(name);

                 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.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                     sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                 }
                 if (resolve) {
                    resolveClass(c);
                 }
                 return c;  
             }
         }
     }

     public static void main(String args[]) throws Exception {
         MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
         //尝试用自己改写类加载机制去加载自己写的java.lang.String.class
         Class clazz = classLoader.loadClass("java.lang.String");
         Object obj = clazz.newInstance();
         Method method= clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
         method.invoke(obj, null);
         System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
     }
}

运行结果：

java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
  at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:659)
  at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:758)

2.3 打破委派机制（实现 loadClass 方法）

在一些场景下面，需要打破双亲委派机制；

以 Tomcat 类加载器为例，Tomcat 如果使用默认的双亲委派加载机制行不行呢？

思考一下：Tomcat 是 web 容器，那么它要解决什么问题？

1. 一个 web 容器可能需要部署两个应用程序，不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类库的不同版本，不能要求同一个类库在同一个服务器上只有一份，因此要保证每个应用程序的类库都是独立的，保证相互隔离。

2. 部署在同一个 web 容器中相同的类库相同的版本可以共享。否则，如果服务器有10个应用程序，那么要有10份相同类库加载进虚拟机中；

3. web容器也有自己依赖的类库，不能与应用程序的类库混淆。基于安全考虑，应该让容器的类库和程序的类库隔离开来。
4. web容器要支持jsp的修改，我们知道，jsp 文件最终也是要编译成class文件才能在虚拟机中运行，但程序运行后修改jsp已经是司空见惯的事情， web容器需要支持 jsp 修改后不用重启。

再看看我们的问题：Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行？
答案是不行的。为什么？

第一个问题，如果使用默认的类加载器机制，那么是无法加载两个相同类库的不同版本的，默认的类加器是不管你是什么版本的，只在乎你的全限定类名，并且只有一份。

第二个问题，默认的类加载器是能够实现的，因为他的职责就是保证唯一性。

第三个问题和第一个问题一样。我们再看第四个问题，我们想我们要怎么实现jsp文件的热加载，jsp 文件其实也就是class文件，那么如果修改了，但类名还是一样，类加载器会直接取方法区中已经存在的，修改后的jsp是不会重新加载的。那么怎么办呢？我们可以直接卸载掉这jsp文件的类加载器，所以你应该想到了，每个jsp文件对应一个唯一的类加载器，当一个jsp文件修改了，就直接卸载这个jsp类加载器。重新创建类加载器，重新加载jsp文件。

Tomcat自定义加载器详解

tomcat的几个主要类加载器：

commonLoader：Tomcat最基本的类加载器，加载路径中的class可以被 Tomcat容器本身以及各个Webapp访问；
catalinaLoader：Tomcat容器私有的类加载器，加载路径中的class对于Webapp不可见；
sharedLoader：各个Webapp共享的类加载器，加载路径中的class对于所有Webapp可见，但是对于Tomcat容器不可见；
WebappClassLoader：各个Webapp私有的类加载器，加载路径中的class只对当前Webapp可见；

从图中的委派关系中可以看出：

CommonClassLoader 能加载的类都可以被CatalinaClassLoader和SharedClassLoader使用，从而实现了公有类库的共用，而CatalinaClassLoader和SharedClassLoader自己能加载的类则与对方相互隔离。

WebAppClassLoader可以使用SharedClassLoader加载到的类，但各个WebAppClassLoader实例之间相互隔离。
而JasperLoader的加载范围仅仅是这个JSP文件所编译出来的那一个.Class文件，它出现的目的就是为了被丢弃：当Web容器检测到JSP文件被修改时，会替换掉目前的JasperLoader的实例，并通过再建立一个新的Jsp类加载器来实现JSP文件的热加载功能。

tomcat 这种类加载机制违背了java 推荐的双亲委派模型了吗？答案是：违背了。
我们前面说过，双亲委派机制要求除了顶层的启动类加载器之外，其余的类加载器都应当由自己的父类加载器加载。
很显然，tomcat 不是这样实现，tomcat 为了实现隔离性，没有遵守这个约定，每个webappClassLoader加载自己的目录下的class文件，不会传递给父类加载器，打破了双亲委派机制。

可以在运行的时候增加一个参数用于查看类是否被加载： -verbose:class

OSGI（动态模型系统）

　　OSGi(Open Service Gateway Initiative)，是面向 Java 的动态模型系统，是 Java 动态化模块化系统的一系列规范。

动态改变构造：OSGi 服务平台提供在多种网络设备上无需重启的动态改变构造的功能。为了最小化耦合度和促使这些耦合度可管理，OSGi 技术提供一种面向服务的架构，它能使这些组件动态地发现对方。

模块化编程与热插拔：OSGi 旨在为实现 Java 程序的模块化编程提供基础条件，基于 OSGi 的程序很可能可以实现模块级的热插拔功能，当程序升级更新时，可以只停用、重新安装然后启动程序的其中一部分。

OSGi 描绘了一个很美好的模块化开发目标，而且定义了实现这个目标的所需要服务与架构，同时也有成熟的框架进行实现支持。但并非所有的应用都适合采用 OSGi 作为基础架构，它在提供强大功能同时，也引入了额外的复杂度，因为它不遵守了类加载的双亲委托模型。

posted @ 2020-05-06 21:13 风止雨歇阅读(320) 评论(1) 编辑收藏举报

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