JVM类加载机制详解(JDK源码级别)

提示：从JDK源码级别彻底剖析JVM类加载机制、双亲委派机制、全盘负责委托机制、打破双亲委派机制的程序、Tomcat打破双亲委派机制、tomcat自定义类加载器详解、tomcat的几个主要类加载器、手写tomcat类加载器

文章目录

前言
一、loadClass的类加载大概有如下步骤
二、java中类加载器的分类
三、双亲委派机制
- 3.1、为什么要设计双亲委派机制
- 3.2、什么是全盘负责委托机制。
- 3.3、打破双亲委派机制的程序:
4、Tomcat打破双亲委派机制
- 4.1、tomcat解决什么问题？
- 4.2、tomcat如果使用双亲委派机制行不行？
- 4.3、tomcat自定义类加载器详解
- 4.4、自定义类加载器示例：
- 4.5、tomcat的实现
总结

前言

例如：随着人工智能的不断发展，机器学习这门技术也越来越重要，很多人都开启了学习机器学习，本文就介绍了机器学习的基础内容。

一、loadClass的类加载大概有如下步骤

加载 -》验证 -》准备 -》解析 -》初始化 -》使用 -》卸载。

加载：在硬盘中查找并通过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，在加载阶段会在内存中生成一个点这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口
验证：校验字节码文件的正确性。正确的字节码文件应该是以 cafe babe 开头的，并且是0034 这样的，不能说随便一个格式的字节码都能正确识别
准备：是会将变量，先赋一个默认值，如果是boolean就是false，如果是integer就是0.比如你定义的 int a = 10。那么准备这部，就是int a=0
解析：将符号引用转变为直接引用，其实就是转换为内存地址。比如说public static void main(String [] args)。这些符号，肯定要存到内存中的，而且是存的内存地址。就是把这些符号转换为地址的过程，这个步骤有个名词叫做静态链接。动态链接：是指在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用。(在加载的时候还不执行，在运行的时候，才执行的。)
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。(一些静态代码块，也是这个阶段去执行。可以参考一下类的加载顺序：子类的静态代码块-》父类的静态代码块-》父类的构造方法-》子类的构造方法)

二、java中类加载器的分类

引导类加载器(根加载器BootStarpClassLoader)：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(扩展类加载器ExtClassLoader)：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ex扩展目录的jar包
应用程度类加载器(系统类加载器AppClassLoader)：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
自定义类加载器(继承了java.lang.ClassLoader的类加载器)：负责加载用户自定义路径下的类包(项目的classPath下找)

引导类加载器，不用管，是c语言实现的。c语言在实现引导类加载器的时候，会通过一个Launcher类，初始化这个Launcher类的时候把扩展类加载器、应用程序类加载器给构造出来，并且把他俩的关系给搞出来。扩展类加载器是应用程序类加载器的父类。
通过Java命令执行代码的大体流程如下
在这里插入图片描述
类加载器的初始化过程：
Launcher类是类加载的关键类。而extClassLoader、appClassLoader、的父类是ClassLoader.java类。

参见类运行加载全过程图可知其中会创建JVM启动器实例sun.misc.Launcher。
sun.misc.Launcher初始化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构造方法内部，其创建了两个类加载器，分别是
sun.misc.Launcher.ExtClassLoader(扩展类加载器)和sun.misc.Launcher.AppClassLoader(应
用类加载器)。
JVM默认使用Launcher的getClassLoader()方法返回的类加载器AppClassLoader的实例加载我们
的应用程序。1 //Launcher的构造方法
2 public Launcher() {3 Launcher.ExtClassLoader var1;
4 try {
5 //构造扩展类加载器，在构造的过程中将其父加载器设置为null
6 var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
7 } catch (IOException var10) {
8 throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
9 }
10
11 try {
12 //构造应用类加载器，在构造的过程中将其父加载器设置为ExtClassLoader，
13 //Launcher的loader属性值是AppClassLoader，我们一般都是用这个类加载器来加载我们自
己写的应用程序
14 this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
15 } catch (IOException var9) {
16 throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
17 }
18
19 Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
20 String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
21 。。。 。。。 //省略一些不需关注代码
22
23 }

三、双亲委派机制

在这里插入图片描述
双亲委派机制：双亲委派机制，简单的说，就是先由父类加载，父类没有了再由儿子加载。举个例子，比如你现在要加载Math这个类，那么就会

由应用程序类加载器(AppClassLoader)去扫描应用程序类加载器已经加载的类，如果扫描到了，直接返回。(刚进来肯定是没有，直接委派给上级)
如果应用程序类加载器(AppClassLoader)没有扫描到，他就会委托他的父加载器扩展类加载器(ExtClassLoader)去加载，扩展加载器也是一样，先扫描扩展加载器已经加载的类(jdk中的ex包下的类)，如果扫描到了，直接返回；
如果扩展类加载器(ExtClassLoader)没扫描到，就委托扩展加载器的父加载器引导类加载器(BootStarpClassLoader)去加载。他也是一样，先扫描自己已经加载的类，如果扫描到了(扫描jdk中的lib包的类)，直接返回；如果没扫描到，就会委托他的子加载器，扩展类加载器去加载。
如果扩展类加载器(ExtClassLoader)扫描到他已经加载的类，扫描到了，直接返回，如果没扫描到，就会给他的子加载器(应用程序类加载器)去扫描。
应用程序类加载器去扫描它应该扫描的路径，也就是项目的classPath下的包，扫描到了，直接返回。(没扫描到，报classNotFind？)
简单总结一下，双亲委派机制，就是说，先由父类去加载，父类加载不到，再由子类去加载，子类最后也加载不到，就会提示 class not
find

思考一下，为啥会是双亲委派呢，每次都要先依次到最顶层，然后最顶层没有还有依次往下到最下层，这样性能不是会变低吗。第一次加载的时候可能确实性能会低，但是一旦加载完毕了，就直接存在应用程序类加载器了(这个里面有一个list是存的已经加载好的类)，直接从里面读就行，不用在依次到最上层的引导类加载器去获取类对象了。

我们常说的应用程序类加载器的父加载器是扩展类加载器，并不是说，应用程序类加载器继承了扩展类加载器，而是说，应用程序类加载器的其中一个属性(父加载器)的值是扩展类加载器。

3.1、为什么要设计双亲委派机制

沙箱安全机制：防止核心API类库被随意篡改。比如你自己写了一个java.lang.String.class类不会被加载(因为是先父类加载，加载到了直接返回)
避免类的重复加载：当父类已经加载了该类时，就没有必要子类在加载一遍了，保证了被加载类的唯一性。比如你手写了一个String类，包路径也叫做：java.lang.String。那么一上来应用程序类(最下级)加载器肯定是没有，然后他委托给扩展类加载器，然后扩展类加载器委托给引导类加载器，然后引导类加载器直接扫描到，就直接返回了，就不往下走了，所以你自己手写的Stting类没起到作用，直接用的还是java的String类。

3.2、什么是全盘负责委托机制。

全盘负责委托机制：指当一个ClassLoader装载一个类时，除非显示的使用另外一个classLoader，否则该类所依赖及引用的类也由这个ClassLoader载入。(比如说是appClassLoader加载的UserA类，然后UserA类中有一个静态属性是UserB类，因为是静态的嘛，A加载的时候，B也得被加载。那么appClassLoader在创建userA对象的时候，就直接把userA、userB同时创建了)

3.3、打破双亲委派机制的程序:

tomcat。假设我tomcat要同时部署2个war包，一个是A、一个是B。其中A是依赖的spring4，B是依赖是spring5。那么两个spring中肯定有很多包名是全限定路径都一样，那肯定不能是双亲委派机制，走第一个了第二个就不走了，那肯定是不行的。所以tomcat一定是打破了双亲委派机制的。

4、Tomcat打破双亲委派机制

4.1、tomcat解决什么问题？

以tomcat类加载为例，我们思考一下，tomcat作为一个web容器，他要解决什么问题？

一个web容器可能要部署多个不同的应用程序(服务)，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(比如A服务是依赖的spring3，b服务是依赖的spring4)，因此要保证每个服务的类库都是独立的，保证相互隔离。
部署在同一个web容器中相同的类库的相同版本可以共享。否则如果容器内有10个服务，那么就要有10份相同的类库加载进虚拟机。(如果a、b、c等10个服务都依赖了spring2.3，难道要把spring2.3内的类加载10遍吗？)
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，应该让容器中的类库和程序的类库隔离开来。
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clas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，web容器需要支持jsp修改后不用重启。

4.2、tomcat如果使用双亲委派机制行不行？

不行的，为什么？
5. 1.第一个问题：如果使用默认的类加载机制，那么是无法加载两个类库的不同版本的，默认的双亲委派机制是不管你哪个版本，只关心你的全限定路径一样不一样
6. 2.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。
7. 3.和第一个问题一样

4.我们想一下，要怎么实现tomcat的热加载。jsp其实也是class文件，那么如果修改了，但类名还一样，类加载器会直接取方法区中已存在的，修改后的jsp是不会被重新加载的。那么怎么办呢？我们可以直接卸载掉这个jsp文件的类加载器，所以呢，就是给每个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，重写加载jsp文件。(搞个线程去监听这个jsp文件夹的变动，有变动了就重新加载)

4.3、tomcat自定义类加载器详解

在这里插入图片描述
tomcat的几个主要类加载器：

commonLoader：Tomcat最基本的类加载器，加载路径的class可以被tomcat容器本身及各个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，比如加载war包里相关的类，每个war包应用都有自己的WebappClassLoader，实现相互隔离，比如不同war包引入了不同的spring版本，这样实现就能加载各自的spring版本。

大概是，每个war包都加载自己war内的类，然后tomcat有几个war包就有几个war的加载器(webAppClassLoader)。然后其他类，还是会委托给对应的上级类加载器。

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。
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

4.4、自定义类加载器示例：

自定义类加载器只需要继承 java.lang.ClassLoader 类，该类由俩个核心方法，一个是loadClass(String,boolean)，实现了双亲委派机制，还有一个是findClass，默认实现是空方法，所以我们自定义类加载器主要是重写findClass方法。
大致步骤：
1、继承 ClassLoader 类
2、重写 findClass 方法。
3、重写loadClass方法(想跨过双亲委派机制就重写，不想跨过就不需要写)
全部代码如下：
其中不重写 loadClass 方法的时候，是实现自定义类加载器去加载类的方法
其中重写了 loadClass 方法的时候，是实现了跨过双亲委派机制的去用自定义类加载器去加载的实现。

package com.zheng.config;import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;/*** @author: ztl* @date: 2023/11/18 22:29* @desc: 自己的自定义类加载器*  自定义类加载器只需要继承 java.lang.ClassLoader 类，这个类由俩个核心方法：*      loadClass(String,boolean)   实现了双亲委派机制*      findClass       实现了空方法，(所以我们自定义类加载器主要是重写findClass方法)*/
public class MyClassLoaderTest {static public class MyClassLoader extends ClassLoader {private String classPath;public MyClassLoader(String classPath){this.classPath = classPath;}/*** 这个是读取class包用的* @param name* @return* @throws Exception*/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;}/**** @param name* @return 这个是自定义加载器要用的* @date: 2023/11/19 17:38* content:*  name就是类的全限定路径*  defineClass 是ClassLoader中的方法，*/protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {try {byte[] data = loadByte(name);//name 类名。 data 类的二进制数组文件return defineClass(name, data, 0, data.length);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();throw new ClassNotFoundException();}}/*** 这个是打破双亲委派机制用的* 正常的loadClass是双亲委派式的读取class文件。* 但是你现在不是想打破双亲委派嘛，那就重写java的双亲委派，走自己的加载程序，就可以打破了**/protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException{synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// First, check if the class has already been loadedClass<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {long t0 = System.nanoTime();// 这几行是双亲委派的代码,注掉他，直接让他 c==null，走自己的findClass
//                    try {
//                        if (parent != null) {
//                            c = parent.loadClass(name, false);
//                        } else {
//                            c = findBootstrapClassOrNull(name);
//                        }
//                    } catch (ClassNotFoundException e) {
//                        // ClassNotFoundException thrown if class not found
//                        // from the non-null parent class loader
//                    }// 但是由于User1，继承了Object类，所以初始化user的时候，就会初始Object，// 由于Object是由BooStrapClassLoader加载的，你没法直接不走双亲委派，所以呢，加个判断，// 如果是我们自己的类，则走自己的类加载器去加载，如果是Object之类的类，就走原来的双亲委派机制if (!name.startsWith("com.zheng.po")){// 走jdk的双亲委派机制c = this.getParent().loadClass(name);}else {// 走自己重写的findClass类c = findClass(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 statssun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}}if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}}}/**** @content 测试，自定义类加载器* @return* @date: 2023/11/19 18:07*/public static void main(String args[]) throws Exception {//初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，其中会把自定义类加载器的父加载器设置为应用程序类加载器AppClassLoader// 自定义类加载器的，加载路径。MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");//D盘创建 com/zheng/po 几级目录，将User类的复制类User1.class丢入该目录// 1、这个 com/zheng/po 就是你user1的包路径， 2、这个必须是.class文件，不能是 .java文件Class clazz = classLoader.loadClass("com.zheng.po.User1");Object obj = clazz.newInstance();Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);method.invoke(obj, null);// 父加载器有，就用父加载器的，然后直接返回；父加载器没有，就用子加载器的结果// 如果你的appClassLoader就有class1的话，就会打印出来 sun.misc.Launcher$AppClassLoader// 如果你的AppClassLoader里面没有的话，就会走自己的 MyClassLoader。com.zheng.config.MyClassLoaderTest$MyClassLoader// 因为你的项目内现在有一个 com.zheng.po.user1.class// 然后d盘下面还有一个 com.zheng.po.user1.class// 所以，他们的类名一模一样，找到一个，就直接返回了。就跟你自己手写一个String类，和java的String类一样，用上级的类加载器的String类// 如果已经重写了 loadClass ，那么就是打破双亲委派机制的 com.zheng.config.MyClassLoaderTest$MyClassLoaderSystem.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());}}

4.5、tomcat的实现

tomcat的实现(不同的war包中，去加载不同的类。这个类的全限定路径一样，名字一样的话。)：
// tomcat就是这么实现的：用同一个类(MyClassLoader)的两个实现(classLoader1、classLoader2)，去加载不同的类
(跟上面的一样，就是main方法改了改。)
代码块1：

public static void main(String args[]) throws Exception {//初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，其中会把自定义类加载器的父加载器设置为应用程序类加载器AppClassLoader// 自定义类加载器的，加载路径。MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");//D盘创建 com/zheng/po 几级目录，将User类的复制类User1.class丢入该目录// 1、这个 com/zheng/po 就是你user1的包路径， 2、这个必须是.class文件，不能是 .java文件Class clazz = classLoader.loadClass("com.zheng.po.User1");Object obj = clazz.newInstance();Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);method.invoke(obj, null);// 父加载器有，就用父加载器的，然后直接返回；父加载器没有，就用子加载器的结果// 如果你的appClassLoader就有class1的话，就会打印出来 sun.misc.Launcher$AppClassLoader// 如果你的AppClassLoader里面没有的话，就会走自己的 MyClassLoader。com.zheng.config.MyClassLoaderTest$MyClassLoader// 因为你的项目内现在有一个 com.zheng.po.user1.class// 然后d盘下面还有一个 com.zheng.po.user1.class// 所以，他们的类名一模一样，找到一个，就直接返回了。就跟你自己手写一个String类，和java的String类一样，用上级的类加载器的String类// 如果已经重写了 loadClass ，那么就是打破双亲委派机制的 com.zheng.config.MyClassLoaderTest$MyClassLoaderSystem.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());System.out.println("=================================================");// tomcat就是这么实现的：用同一个类(MyClassLoader)的两个实现(classLoader1、classLoader2)，去加载不同的类MyClassLoader classLoader1 = new MyClassLoader("D:/test1");Class clazz1 = classLoader1.loadClass("com.zheng.po.User2");Object obj1 = clazz1.newInstance();Method method1 = clazz1.getDeclaredMethod("sout", null);method1.invoke(obj1, null);System.out.println(clazz1.getClassLoader().getClass().getName());
}

代码块2：

package com.zheng.config;import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;/*** @author: ztl* @date: 2023/11/18 22:29* @desc: 自己的自定义类加载器*  自定义类加载器只需要继承 java.lang.ClassLoader 类，这个类由俩个核心方法：*      loadClass(String,boolean)   实现了双亲委派机制*      findClass       实现了空方法，(所以我们自定义类加载器主要是重写findClass方法)*/
public class MyClassLoaderTest {static public class MyClassLoader extends ClassLoader {private String classPath;public MyClassLoader(String classPath){this.classPath = classPath;}/*** 这个是读取class包用的* @param name* @return* @throws Exception*/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;}/**** @param name* @return 这个是自定义加载器要用的* @date: 2023/11/19 17:38* content:*  name就是类的全限定路径*  defineClass 是ClassLoader中的方法，*/protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {try {byte[] data = loadByte(name);//name 类名。 data 类的二进制数组文件return defineClass(name, data, 0, data.length);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();throw new ClassNotFoundException();}}/*** 这个是打破双亲委派机制用的* 正常的loadClass是双亲委派式的读取class文件。* 但是你现在不是想打破双亲委派嘛，那就重写java的双亲委派，走自己的加载程序，就可以打破了**/protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException{synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// First, check if the class has already been loadedClass<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {long t0 = System.nanoTime();// 这几行是双亲委派的代码,注掉他，直接让他 c==null，走自己的findClass
//                    try {
//                        if (parent != null) {
//                            c = parent.loadClass(name, false);
//                        } else {
//                            c = findBootstrapClassOrNull(name);
//                        }
//                    } catch (ClassNotFoundException e) {
//                        // ClassNotFoundException thrown if class not found
//                        // from the non-null parent class loader
//                    }// 但是由于User1，继承了Object类，所以初始化user的时候，就会初始Object，// 由于Object是由BooStrapClassLoader加载的，你没法直接不走双亲委派，所以呢，加个判断，// 如果是我们自己的类，则走自己的类加载器去加载，如果是Object之类的类，就走原来的双亲委派机制if (!name.startsWith("com.zheng.po")){// 走jdk的双亲委派机制c = this.getParent().loadClass(name);}else {// 走自己重写的findClass类c = findClass(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 statssun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}}if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}}}/**** @content 测试，自定义类加载器* @return* @date: 2023/11/19 18:07*/public static void main(String args[]) throws Exception {//初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，其中会把自定义类加载器的父加载器设置为应用程序类加载器AppClassLoader// 自定义类加载器的，加载路径。MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");//D盘创建 com/zheng/po 几级目录，将User类的复制类User1.class丢入该目录// 1、这个 com/zheng/po 就是你user1的包路径， 2、这个必须是.class文件，不能是 .java文件Class clazz = classLoader.loadClass("com.zheng.po.User1");Object obj = clazz.newInstance();Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);method.invoke(obj, null);// 父加载器有，就用父加载器的，然后直接返回；父加载器没有，就用子加载器的结果// 如果你的appClassLoader就有class1的话，就会打印出来 sun.misc.Launcher$AppClassLoader// 如果你的AppClassLoader里面没有的话，就会走自己的 MyClassLoader。com.zheng.config.MyClassLoaderTest$MyClassLoader// 因为你的项目内现在有一个 com.zheng.po.user1.class// 然后d盘下面还有一个 com.zheng.po.user1.class// 所以，他们的类名一模一样，找到一个，就直接返回了。就跟你自己手写一个String类，和java的String类一样，用上级的类加载器的String类// 如果已经重写了 loadClass ，那么就是打破双亲委派机制的 com.zheng.config.MyClassLoaderTest$MyClassLoaderSystem.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());}}