JVM之类加载器

文章目录

版权声明
类加载器
类加载器的分类
- 启动类加载器
- 拓展类加载器&应用程序类加载器
双亲委派机制
- 解决三个问题
打破双亲委派机制
- 自定义类加载器
- 案例演示
- 线程上下文类加载器
- 案例梳理
- OSGi模块化

版权声明

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类加载器

类加载器（ClassLoader）是Java虚拟机提供给应用程序去实现获取类和接口字节码数据的技术。
类加载器只参与加载过程中的字节码获取并加载到内存这一部分
类加载器的应用场景

类加载器的分类

类加载器分为两类，一类是Java代码中实现的，一类是Java虚拟机底层源码实现的。
类加载器的设计JDK8和8之后的版本差别较大，JDK8及之前的版本中默认的类加载器有如下几种
类加载器的详细信息可以通过classloader命令查看：
- classloader - 查看 classloader 的继承树，urls，类加载信息，使用 classloader 去getResource
- 详细的指令教程请参考Arthas官网

[arthas@17048]$ classloader
 name                                       numberOfInstances  loadedCountTotal
 BootstrapClassLoader                       1                  2248
 com.taobao.arthas.agent.ArthasClassloader  1                  1351
 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader           1                  47
 sun.reflect.DelegatingClassLoader          15                 15
 sun.misc.Launcher$AppClassLoader           1                  8
Affect(row-cnt:5) cost in 7 ms.
[arthas@17048]$ classloader -t
+-BootstrapClassLoader
+-sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7fe21cf8
  +-com.taobao.arthas.agent.ArthasClassloader@53e59711
  +-sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
Affect(row-cnt:4) cost in 5 ms.

BootstrapClassLoader：c++编写的启动类加载器，位于虚拟机的源码中
- numberOfInstances ：1 类加载器的个数为一个
- loadedCountTotal： 2248 共加载了2248个核心类
ArthasClassloader: ArthasClassloader工具的加载器
ExtClassLoader：拓展类加载器
DelegatingClassLoader： jdk底层实现用来提升反射效率的加载器
AppClassLoader：应用程序类加载器

启动类加载器

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）是由Hotspot虚拟机提供的、使用C++编写的类加载器
默认加载Java安装目录/jre/lib下的类文件，比如rt.jar，tools.jar，resources.jar等。
通过启动类加载器去加载用户jar包
- 放入jre/lib下进行扩展：不推荐，尽可能不要去更改JDK安装目录中的内容，会出现即时放进去由于文件名不匹配的问题也不会正常地被加载
- 使用参数进行扩展：推荐，使用-Xbootclasspath/a:jar包目录/jar包名 进行扩展

拓展类加载器&应用程序类加载器

扩展类加载器和应用程序类加载器都是JDK中提供的、使用Java编写的类加载器
它们的源码都位于sun.misc.Launcher中，是一个静态内部类，继承自URLClassLoader。通过目录或者指定jar包将字节码文件加载到内存中。
扩展类加载器（Extension Class Loader）是JDK中提供的、使用Java编写的类加载器
默认加载Java安装目录/jre/lib/ext下的类文件

在这里插入图片描述

通过扩展类加载器去加载用户jar包
- 放入/jre/lib/ext下进行扩展：不推荐，尽可能不要去更改JDK安装目录中的内容
使用参数进行扩展
- 推荐，使用-Djava.ext.dirs=jar包目录进行扩展,这种方式会覆盖掉原始目录，可以用;(windows):(macos/linux)追加上原始目录

类加载器的加载路径可以先使用classloader -l查看类的hash值，然后通过classloader –c hash值 查看

双亲委派机制

由于Java虚拟机中有多个类加载器，那么一个类到底由哪个加载器进行加载？
解决方案：双亲委派机制双亲委派机制的核心是解决一个类到底由谁加载的问题
每个Java实现的类加载器中保存了一个成员变量叫“父”（Parent）类加载器，可以理解为它的上级，并不是继承关系。
启动类加载器使用C++编写，没有上级类加载器
应用程序类加载器的parent父类加载器是扩展类加载器，而扩展类加载器的parent是空。扩展类加载器（Extension ClassLoader）在类加载过程中会委托给启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）。这是因为Java的类加载器遵循所谓的"双亲委派模型"。

图1 真实的父类关系

图2 双亲委派机制中的逻辑关系

尽管在类加载器的层次结构中，扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器，但实际上，在类的加载过程中，应用类加载器的父类加载器是扩展类加载器，扩展类加载器没有父类加载器，但会委派给启动类加载器加载。这就是通常说扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。

类加载器的继承关系可以通过classloader –t 查看

双亲委派机制：当一个类加载器收到类加载请求时，它并不会尝试立即加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器。这样，每个类加载请求都会传递到启动类加载器，只有当父类加载器无法处理这个请求时（例如，类不在它的搜索路径中），子类加载器才会尝试自己去加载。
双亲委派机制口诀：自底向上查找是否加载过，再由顶向下进行加载。

请添加图片描述
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解决三个问题

重复的类：如果一个类重复出现在三个类加载器的加载位置，应该由谁来加载？
- 启动类加载器加载，根据双亲委派机制，它的优先级是最高的
String类覆盖问题：在自己的项目中去创建一个java.lang.String类，会被加载吗？
- 不能，会交由启动类加载器加载在rt.jar包中的String类
类加载器的关系：这几个类加载器彼此之间存在关系吗？
- 应用类加载器的父类加载器是扩展类加载器，扩展类加载器没有父类加载器，但是会委派给启动类加载器加载

打破双亲委派机制

打破双亲委派机制的三种方式

自定义类加载器
- 自定义类加载器并且重写loadClass方法，就可以将双亲委派机制的代码去除
线程上下文类加载器
- Tomcat通过这种方式实现应用之间类隔离
Osgi框架的类加载器
- 历史上Osgi框架实现了一套新的类加载器机制，允许同级之间委托进行类的加载

自定义类加载器

一个Tomcat程序中是可以运行多个Web应用的，如果这两个应用中出现了相同限定名的类，比如Servlet类，Tomcat要保证这两个类都能加载并且它们应该是不同的类。
如果不打破双亲委派机制，当应用类加载器加载Web应用1中的MyServlet之后，Web应用2中相同限定名的MyServlet类就无法被加载。
Tomcat使用了自定义类加载器来实现应用之间类的隔离。每一个应用会有一个独立的类加载器加载对应的类。

先来分析ClassLoader的原理，ClassLoader中包含了4个核心方法
双亲委派机制的核心代码就位于loadClass方法中

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    return this.loadClass(name, false); //resolve
}

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    //加锁 保证只有一个线程加载类
    synchronized(this.getClassLoadingLock(name)) {
        //查询当前类加载器是否加载过需要的类，true 返回类对象 否则，返回null
        Class<?> c = this.findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
			//向逻辑父类委派加载任务
            try {
                //直到委派到顶级父类——Extension，进入else分支
                if (this.parent != null) {
                    c = this.parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    //调用启动类加载器，进行加载，无法加载返回null
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException var10) {
            }
			//所有类加载器加载失败，使用本类加载器进行加载
            if (c == null) {
                long t1 = System.nanoTime();
                c = this.findClass(name);
                PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }

        if (resolve) {
            this.resolveClass(c);
        }

        return c;
    }
}

final Class<?> loadClass(Module module, String name) {
    synchronized(this.getClassLoadingLock(name)) {
        Class<?> c = this.findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            c = this.findClass(module.getName(), name);
        }

        return c != null && c.getModule() == module ? c : null;
    }
}
//读取二进制数据
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

protected Class<?> findClass(String moduleName, String name) {
    if (moduleName == null) {
        try {
            return this.findClass(name);
        } catch (ClassNotFoundException var4) {
        }
    }

    return null;
}
//类名校验 将字节码信息加载到虚拟机内存中
protected final Class<?> defineClass(byte[] b, int off, int len) throws ClassFormatError {
    return this.defineClass((String)null, b, off, len, (ProtectionDomain)null);
}

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) throws ClassFormatError {
    return this.defineClass(name, b, off, len, (ProtectionDomain)null);
}

protected final void resolveClass(Class<?> c) {
    if (c == null) {
        throw new NullPointerException();
    }
}

阅读双亲委派机制的核心代码，分析如何通过自定义的类加载器打破双亲委派机制
打破双亲委派机制的核心就是将下边这一段代码重新实现

//parent等于null说明父类加载器是启动类加载器，直接调用findBootstrapClassOrNull
//否则调用父类加载器的加载方法
if (parent != null) {
	 c = parent.loadClass(name, false);
 } else {
	 c = findBootstrapClassOrNull(name);
 }
//父类加载器爱莫能助，我来加载！
if (c == null) 
	 c = findClass(name);

案例演示

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {

    public CustomClassLoader(ClassLoader parent) {
        super(parent);
    }

    @Override
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        
        // 简单的例子, 只处理自定义的类
        if (name.startsWith("com.mydomain")) {
            return findClass(name);
        }

        // 其他的类还是采用双亲委派机制加载
        return super.loadClass(name);
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            byte[] bytes = loadClassData(name);
            return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException("Cannot load class " + name, e);
        }
    }

    private byte[] loadClassData(String name) throws IOException {
        // 根据类名加载类的二进制数据. 假设所有类都在一个固定的目录下
        Path path = Paths.get("classes", name.replace('.', '/') + ".class");
        return Files.readAllBytes(path);
    }

}