性能调优专题(9)之从JDK源码级别解析JVM类加载机制

一、类加载运行全过程

当我们用java命令运行某个类的main函数启动程序时，首先需要通过类加载器把主类加载到JVM。

package com.tuling.jvm;

public class Math {
    public static final int initData = 666;
    public static User user = new User();

    public int compute() {  //一个方法对应一块栈帧内存区域
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a + b) * 10;
        return c;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Math math = new Math();
        math.compute();
    }

}

通过Java命令执行代码的大体流程如下：

其中loadClass的类加载过程有如下几步：

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，在加载阶段会在内存中生成一个代表这个类的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；
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，下节课会讲到动态链接；
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；

类被加载到方法区中后主要包含运行时常量池、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。

类加载器的引用：这个类到类加载器实例的引用

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 类型的对象实例放到堆(Heap)中, 作为开发人员访问方法区中类定义的入口和切入点。

注意，主类在运行过程中如果使用到其它类，会逐步加载这些类。

jar包或war包里的类不是一次性全部加载的，是使用到时才加载。

public class TestDynamicLoad {

    static {
        System.out.println("*************load TestDynamicLoad************");
    }

    public static void main(String[] args) {
        new A();
        System.out.println("*************load test************");
        B b = null;  //B不会加载，除非这里执行 new B()
    }
}

class A {
    static {
        System.out.println("*************load A************");
    }

    public A() {
        System.out.println("*************initial A************");
    }
}

class B {
    static {
        System.out.println("*************load B************");
    }

    public B() {
        System.out.println("*************initial B************");
    }
}

运行结果：
*************load TestDynamicLoad************
*************load A************
*************initial A************
*************load test************

二、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。

引导类加载器：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；

看一个类加载器示例：

public class TestJDKClassLoader {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());

        System.out.println();
        ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        ClassLoader extClassloader = appClassLoader.getParent();
        ClassLoader bootstrapLoader = extClassloader.getParent();
        System.out.println("the bootstrapLoader : " + bootstrapLoader);
        System.out.println("the extClassloader : " + extClassloader);
        System.out.println("the appClassLoader : " + appClassLoader);

        System.out.println();
        System.out.println("bootstrapLoader加载以下文件：");
        URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
            System.out.println(urls[i]);
        }

        System.out.println();
        System.out.println("extClassloader加载以下文件：");
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));

        System.out.println();
        System.out.println("appClassLoader加载以下文件：");
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));

    }
}

运行结果：
null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader

the bootstrapLoader : null
the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@3764951d
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@14dad5dc

bootstrapLoader加载以下文件：
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/resources.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/rt.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jsse.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jce.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/charsets.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jfr.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/classes

extClassloader加载以下文件：
D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

appClassLoader加载以下文件：
D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\charsets.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\deploy.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\cldrdata.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\dnsns.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\jaccess.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\jfxrt.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\localedata.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\nashorn.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunec.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\zipfs.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\javaws.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jce.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jfr.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jfxswt.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jsse.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\management-agent.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\plugin.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\resources.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\rt.jar;D:\ideaProjects\project-all\target\classes;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\apache\zookeeper\zookeeper\3.4.12\zookeeper-3.4.12.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\slf4j\slf4j-api\1.7.25\slf4j-api-1.7.25.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\slf4j\slf4j-log4j12\1.7.25\slf4j-log4j12-1.7.25.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\log4j\log4j\1.2.17\log4j-1.2.17.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\jline\jline\0.9.94\jline-0.9.94.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\apache\yetus\audience-annotations\0.5.0\audience-annotations-0.5.0.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\io\netty\netty\3.10.6.Final\netty-3.10.6.Final.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\guava\guava\22.0\guava-22.0.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\code\findbugs\jsr305\1.3.9\jsr305-1.3.9.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\errorprone\error_prone_annotations\2.0.18\error_prone_annotations-2.0.18.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\j2objc\j2objc-annotations\1.1\j2objc-annotations-1.1.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\codehaus\mojo\animal-sniffer-annotations\1.14\animal-sniffer-annotations-1.14.jar;D:\dev\IntelliJ IDEA 2018.3.2\lib\idea_rt.jar

2.1 类加载器初始化过程

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。

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。

//Launcher的构造方法
public Launcher() {
    Launcher.ExtClassLoader var1;
    try {
        //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
        var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
    } catch (IOException var10) {
        throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
    }

    try {
        //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，
        //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
        this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
    } catch (IOException var9) {
        throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
    }

    Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
    String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
    。。。 。。。 //省略一些不需关注代码

}

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引导类加载器，顶层引导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。

我们来看下应用程序类加载器AppClassLoader加载类的双亲委派机制源码，AppClassLoader的loadClass方法最终会调用其父类ClassLoader的loadClass方法，该方法的大体逻辑如下：

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。
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。
如果父加载器及bootstrap类加载器都没有找到指定的类，那么调用当前类加载器的findClass方法来完成类加载。

//ClassLoader的loadClass方法，里面实现了双亲委派机制
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 检查当前类加载器是否已经加载了该类
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {  //如果当前加载器父加载器不为空则委托父加载器加载该类
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {  //如果当前加载器父加载器为空则委托引导类加载器加载该类
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }

            if (c == null) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.
                long t1 = System.nanoTime();
                //都会调用URLClassLoader的findClass方法在加载器的类路径里查找并加载该类
                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();
            }
        }
        if (resolve) {  //不会执行
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

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；

看一个类加载示例：

package java.lang;

public class String {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("**************My String Class**************");
    }
}

运行结果：
错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
   public static void main(String[] args)
否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application

2.3 自定义类加载器

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，一个是loadClass(String, boolean)，实现了双亲委派机制，还有一个方法是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。

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 {
        //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
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
        //D盘创建 test/com/tuling/jvm 几级目录，将User类的复制类User1.class丢入该目录
        Class clazz = classLoader.loadClass("com.tuling.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：
=======自己的加载器加载类调用方法=======
com.tuling.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader

2.4 打破双亲委派机制

再来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)

2.4.1 Tomcat打破双亲委派机制

以Tomcat类加载为例，Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行？

我们思考一下：Tomcat是个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份相同的类库加载进虚拟机。

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。

2.4.2 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，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包应用引入了不同的spring版本，这样实现就能加载各自的spring版本；

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。