圖解JVM類載入機制與類載入過程

阿新 • • 發佈：2019-01-09

0、前言

讀完本文，你將瞭解到：

一、為什麼說Jabalpur語言是跨平臺的

二、Java虛擬機器啟動、載入類過程分析

三、類載入器有哪些？其組織結構是怎樣的？

四、雙親載入模型的邏輯和底層程式碼實現是怎樣的？

五、類載入器與Class<T> 例項的關係

六、執行緒上下文載入器

一、為什麼說Java語言是跨平臺的？

　　Java語言之所以說它是跨平臺的、可以在當前絕大部分的作業系統平臺下執行，是因為Java語言的執行環境是在Java虛擬機器中。

　　Java虛擬機器消除了各個平臺之間的差異，只要作業系統平臺下安裝了Java虛擬機器，那麼使用Java開發的東西都能在其上面執行。如下圖所示：

　　Java虛擬機器對各個平臺而言，實質上是各個平臺上的一個可執行程式。例如在windows平臺下，java虛擬機器對於windows而言，就是一個java.exe程序而已。

二、Java虛擬機器啟動、載入類過程分析

　　下面我將定義一個非常簡單的java程式並執行它，來逐步分析java虛擬機器啟動的過程。

package org.luanlouis.jvm.load;  
import sun.security.pkcs11.P11Util;  

/** 
 * Created by louis on 2016/1/16. 
 */  
public class Main{ 
  

    public static void main(String[] args) {  
        System.out.println(”Hello,World!”);  

        ClassLoader loader = P11Util.class.getClassLoader();  

        System.out.println(loader);  
    }  
}

　　在windows命令列下輸入：

java org.luanlouis.jvm.load.Main

　　當輸入上述的命令時，windows開始執行{JRE_HOME}/bin/java.exe程式，java.exe 程式將完成以下步驟：

1. 根據JVM記憶體配置要求，為JVM申請特定大小的記憶體空間

2. 建立一個引導類載入器例項，初步載入系統類到記憶體方法區區域中

3.建立JVM 啟動器例項 Launcher,並取得類載入器ClassLoader

4.使用上述獲取的ClassLoader例項載入我們定義的 org.luanlouis.jvm.load.Main類

5.載入完成時候JVM會執行Main類的main方法入口，執行Main類的main方法

6. 結束，java程式執行結束，JVM銷燬

Step 1.根據JVM記憶體配置要求，為JVM申請特定大小的記憶體空間

　　為了不降低本文的理解難度，這裡就不詳細介紹JVM記憶體配置要求的話題，今概括地介紹一下記憶體的功能劃分。

　　JVM啟動時，按功能劃分，其記憶體應該由以下幾部分組成：

　　如上圖所示，JVM記憶體按照功能上的劃分，可以粗略地劃分為方法區(Method Area) 和堆(Heap),而所有的類的定義資訊都會被載入到方法區中。

Step 2. 建立一個引導類載入器例項，初步載入系統類到記憶體方法區區域中；

　　JVM申請好記憶體空間後，JVM會建立一個引導類載入器（Bootstrap Classloader）例項，引導類載入器是使用C++語言實現的，負責載入JVM虛擬機器執行時所需的基本系統級別的類，如java.lang.String, java.lang.Object等等。

　　引導類載入器(Bootstrap Classloader)會讀取 {JRE_HOME}/lib下的jar包和配置，然後將這些系統類載入到方法區內。

　　本例中，引導類載入器是用 {JRE_HOME}/lib載入類的，不過，你也可以使用引數 -Xbootclasspath 或系統變數sun.boot.class.path來指定的目錄來載入類。

　　一般而言，{JRE_HOME}/lib下存放著JVM正常工作所需要的系統類，如下表所示：

檔名	描述
rt.jar	執行環境包，rt即runtime，J2SE 的類定義都在這個包內
charsets.jar	字符集支援包
jce.jar	是一組包，它們提供用於加密、金鑰生成和協商以及 Message Authentication Code（MAC）演算法的框架和實現
jsse.jar	安全套接字拓展包Java(TM) Secure Socket Extension
classlist	該檔案內表示是引導類載入器應該載入的類的清單
net.properties	JVM 網路配置資訊

　　引導類載入器(Bootstrap ClassLoader）載入系統類後，JVM記憶體會呈現如下格局：

　　引導類載入器將類資訊載入到方法區中，以特定方式組織，對於某一個特定的類而言，在方法區中它應該有執行時常量池、型別資訊、欄位資訊、方法資訊、類載入器的引用對應class例項的引用等資訊。

　　類載入器的引用，由於這些類是由引導類載入器(Bootstrap Classloader)進行載入的，而引導類載入器是有C++語言實現的，所以是無法訪問的，故而該引用為NULL

　　對應class例項的引用，類載入器在載入類資訊放到方法區中後，會建立一個對應的Class 型別的例項放到堆(Heap)中, 作為開發人員訪問方法區中類定義的入口和切入點。

　　小測試，當我們在程式碼中嘗試獲取系統類如java.lang.Object的類載入器時，你會始終得到NULL

System.out.println(String.class.getClassLoader());//null  
System.out.println(Object.class.getClassLoader());//null  
System.out.println(Math.class.getClassLoader());//null  
System.out.println(System.class.getClassLoader());//null

Step 3. 建立JVM 啟動器例項 Launcher,並取得類載入器ClassLoader

　　上述步驟完成，JVM基本執行環境就準備就緒了。接著，我們要讓JVM工作起來了：執行我們定義的程式 org.luanlouis,jvm.load.Main。

　　此時，JVM虛擬機器呼叫已經載入在方法區的類sun.misc.Launcher 的靜態方法getLauncher() 獲取sun.misc.Launcher 例項：

sun.misc.Launcher launcher = sun.misc.Launcher.getLauncher(); //獲取Java啟動器  
ClassLoader classLoader = launcher.getClassLoader();          //獲取類載入器ClassLoader用來載入class到記憶體來

　　sun.misc.Launcher使用了單例模式設計，保證一個JVM虛擬機器內只有一個sun.misc.Launcher例項。在Launcher的內部，其定義了兩個類載入器(ClassLoader)，分別是sun.misc.Launcher.ExtClassLoader和sun.misc.Launcher.AppClassLoader，這兩個類載入器分別被稱為拓展類載入器(Extension ClassLoader)和應用類載入器(Application ClassLoader)。如下圖所示：

　　圖例註釋：除了引導類載入器(Bootstrap Class Loader )的所有類載入器，都有一個能力，就是判斷某一個類是否被引導類載入器載入過，如果載入過，可以直接返回對應的Class<T> instance，如果沒有，則返回null. 圖上的指向引導類載入器的虛線表示類載入器的這個有限的訪問引導類載入器的功能。

　　此時的launcher.getClassLoader()方法將會返回AppClassLoader例項，AppClassLoader將ExtClassLoader作為自己的父載入器。

　　當ppClassLoader載入類時，會首先嚐試讓父載入器ExtClassLoader進行載入，如果父載入器ExtClassLoader載入成功，則AppClassLoader直接返回父載入器ExtClassLoader載入的結果；如果父載入器ExtClassLoader載入失敗，AppClassLoader則會判斷該類是否是引導的系統類(即是否是通過Bootstrap類載入器載入，這會呼叫Native方法進行查詢)；若要載入的類不是系統引導類，那麼ClassLoader將會嘗試自己載入，載入失敗將會丟擲“ClassNotFoundException”。

　　具體AppClassLoader的工作流程如下所示：

　　雙親委派模型(parent-delegation model)

　　上面討論的應用類載入器AppClassLoader的載入類的模式就是我們常說的雙親委派模型(parent-delegation model)。對於某個特定的類載入器而言，應該為其指定一個父類載入器，當用其進行載入類的時候：

　　1. 委託父類載入器幫忙載入；
　　2. 父類載入器載入不了，則查詢引導類載入器有沒有載入過該類；
　　3. 如果引導類載入器沒有載入過該類，則當前的類載入器應該自己載入該類；
　　4. 若載入成功，返回對應的Class<T> 物件；若失敗，丟擲異常“ClassNotFoundException”。

　　請注意

　　雙親委派模型中的”雙親”並不是指它有兩個父類載入器的意思，一個類載入器只應該有一個父載入器。上面的步驟中，有兩個角色：

　　1. 父類載入器(parent classloader)：它可以替子載入器嘗試載入類
　　2. 引導類載入器（bootstrap classloader）: 子類載入器只能判斷某個類是否被引導類載入器載入過，而不能委託它載入某個類；換句話說，就是子類載入器不能接觸到引導類載入器，引導類載入器對其他類載入器而言是透明的。

　　一般情況下，雙親載入模型如下所示：

Step 4. 使用類載入器ClassLoader載入Main類

　　通過 launcher.getClassLoader()方法返回AppClassLoader例項，接著就是AppClassLoader載入 org.luanlouis.jvm.load.Main類的時候了。

ClassLoader classloader = launcher.getClassLoader();//取得AppClassLoader類  
classLoader.loadClass(”org.luanlouis.jvm.load.Main”);//載入自定義類

　　上述定義的org.luanlouis.jvm.load.Main類被編譯成org.luanlouis.jvm.load.Main class二進位制檔案，這個class檔案中有一個叫常量池(Constant Pool)的結構體來儲存該class的常亮資訊。常量池中有CONSTANT_CLASS_INFO型別的常量，表示該class中聲明瞭要用到那些類：

　　當AppClassLoader要載入 org.luanlouis.jvm.load.Main類時，會去檢視該類的定義，發現它內部宣告使用了其它的類： sun.security.pkcs11.P11Util、java.lang.Object、java.lang.System、java.io.PrintStream、java.lang.Class；org.luanlouis.jvm.load.Main類要想正常工作，首先要能夠保證這些其內部宣告的類載入成功。所以AppClassLoader要先將這些類載入到記憶體中。（注：為了理解方便，這裡沒有考慮懶載入的情況，事實上的JVM載入類過程比這複雜的多）

　　載入順序：

　　1. 載入java.lang.Object、java.lang.System、java.io.PrintStream、java,lang.Class

　　AppClassLoader嘗試載入這些類的時候，會先委託ExtClassLoader進行載入；而ExtClassLoader發現不是其載入範圍，其返回null；AppClassLoader發現父類載入器ExtClassLoader無法載入，則會查詢這些類是否已經被BootstrapClassLoader載入過，結果表明這些類已經被BootstrapClassLoader載入過，則無需重複載入，直接返回對應的Class<T>例項；

　　2. 載入sun.security.pkcs11.P11Util

　　此在{JRE_HOME}/lib/ext/sunpkcs11.jar包內，屬於ExtClassLoader負責載入的範疇。AppClassLoader嘗試載入這些類的時候，會先委託ExtClassLoader進行載入；而ExtClassLoader發現其正好屬於載入範圍，故ExtClassLoader負責將其載入到記憶體中。ExtClassLoader在載入sun.security.pkcs11.P11Util時也分析這個類內都使用了哪些類，並將這些類先載入記憶體後，才開始載入sun.security.pkcs11.P11Util，載入成功後直接返回對應的Class<sun.security.pkcs11.P11Util>例項；

　　3. 載入org.luanlouis.jvm.load.Main

　　AppClassLoader嘗試載入這些類的時候，會先委託ExtClassLoader進行載入；而ExtClassLoader發現不是其載入範圍，其返回null；AppClassLoader發現父類載入器ExtClassLoader無法載入，則會查詢這些類是否已經被BootstrapClassLoader載入過。而結果表明BootstrapClassLoader 沒有載入過它，這時候AppClassLoader只能自己動手負責將其載入到記憶體中，然後返回對應的Class<org.luanlouis.jvm.load.Main>例項引用；

　　以上三步驟都成功，才表示classLoader.loadClass(“org.luanlouis.jvm.load.Main”)完成，上述操作完成後，JVM記憶體方法區的格局會如下所示：

　　如上圖所示：

　　JVM方法區的類資訊區是按照類載入器進行劃分的，每個類載入器會維護自己載入類資訊；

　　某個類載入器在載入相應的類時，會相應地在JVM記憶體堆（Heap）中建立一個對應的Class<T>，用來表示訪問該類資訊的入口

Step 5. 使用Main類的main方法作為程式入口執行程式

Step 6. 方法執行完畢，JVM銷燬，釋放記憶體

三、類載入器有哪些？其組織結構是怎樣的？

　　類載入器(Class Loader)：顧名思義，指的是可以載入類的工具。JVM自身定義了三個類載入器：引導類載入器(Bootstrap Class Loader)、拓展類載入器(Extension Class Loader )、應用載入器(Application Class Loader)。當然，我們有時候也會自己定義一些類載入器來滿足自身的需要。

　　引導類載入器(Bootstrap Class Loader): 該類載入器使JVM使用C/C++底層程式碼實現的載入器，用以載入JVM執行時所需要的系統類，這些系統類在{JRE_HOME}/lib目錄下。由於類載入器是使用平臺相關的底層C/C++語言實現的，所以該載入器不能被Java程式碼訪問到。但是，我們可以查詢某個類是否被引導類載入器載入過。我們經常使用的系統類如：java.lang.String,java.lang.Object,java.lang*……. 這些都被放在 {JRE_HOME}/lib/rt.jar包內，當JVM系統啟動的時候，引導類載入器會將其載入到 JVM記憶體的方法區中。

　　拓展類載入器(Extension Class Loader): 該載入器是用於載入 java 的拓展類，拓展類一般會放在 {JRE_HOME}/lib/ext/ 目錄下，用來提供除了系統類之外的額外功能。拓展類載入器是是整個JVM載入器的Java程式碼可以訪問到的類載入器的最頂端，即是超級父載入器，拓展類載入器是沒有父類載入器的。

　　應用類載入器(Applocatoin Class Loader): 該類載入器是用於載入使用者程式碼，是使用者程式碼的入口。我經常執行指令 java xxx.x.xxx.x.x.XClass , 實際上，JVM就是使用的AppClassLoader載入 xxx.x.xxx.x.x.XClass 類的。應用類載入器將拓展類載入器當成自己的父類載入器，當其嘗試載入類的時候，首先嚐試讓其父載入器-拓展類載入器載入；如果拓展類載入器載入成功，則直接返回載入結果Class<T> instance,載入失敗，則會詢問是否引導類載入器已經載入了該類；只有沒有載入的時候，應用類載入器才會嘗試自己載入。由於xxx.x.xxx.x.x.XClass是整個使用者程式碼的入口，在Java虛擬機器規範中，稱其為初始類(Initial Class)。

　　使用者自定義類載入器（Customized Class Loader）：使用者可以自己定義類載入器來載入類。所有的類載入器都要繼承java.lang.ClassLoader類。

四、雙親載入模型的邏輯和底層程式碼實現是怎樣的？

　　上面已經不厭其煩地講解什麼是雙親載入模型，以及其機制是什麼，這些東西都是可以通過底層程式碼檢視到的。

　　我們也可以通過JDK原始碼看java.lang.ClassLoader的核心方法 loadClass()的實現：

//提供class類的二進位制名稱表示，載入對應class，載入成功，則返回表示該類對應的Class<T> instance 例項  
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {  
    return loadClass(name, false);  
}  


protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)  
    throws ClassNotFoundException  
{  
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {  
        // 首先，檢查是否已經被當前的類載入器記載過了，如果已經被載入，直接返回對應的Class<T>例項  
        Class<?> c = findLoadedClass(name);  
            //初次載入  
            if (c == null) {  
            long t0 = System.nanoTime();  
            try {  
                if (parent != null) {  
                    //如果有父類載入器，則先讓父類載入器載入  
                    c = parent.loadClass(name, false);  
                } else {  
                    // 沒有父載入器，則檢視是否已經被引導類載入器載入，有則直接返回  
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);  
                }  
            } catch (ClassNotFoundException e) {  
                // ClassNotFoundException thrown if class not found  
                // from the non-null parent class loader  
            }  
            // 父載入器載入失敗，並且沒有被引導類載入器載入，則嘗試該類載入器自己嘗試載入  
            if (c == null) {  
                // If still not found, then invoke findClass in order  
                // to find the class.  
                long t1 = System.nanoTime();  
                // 自己嘗試載入  
                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();  
            }  
        }  
        //是否解析類   
        if (resolve) {  
            resolveClass(c);  
        }  
        return c;  
    }  
}

　　相對應地，我們可以整理出雙親模型的工作流程圖：

　　相信讀者看過這張圖後會對雙親載入模型有了非常清晰的脈絡。當然，這是JDK自身預設的載入類的行為，我們可以通過繼承複寫該方法，改變其行為。

五、類載入器與Class<T> 例項的關係

六、執行緒上下文載入器

　　Java 任何一段程式碼的執行，都有對應的執行緒上下文。如果我們在程式碼中，想看當前是哪一個執行緒在執行當前程式碼，我們經常是使用如下方法：

Thread  thread = Thread.currentThread();//返回對當當前執行執行緒的引用

　　相應地，我們可以為當前的執行緒指定類載入器。在上述的例子中，當執行：

java org.luanlouis.jvm.load.Main

的時候，JVM會建立一個Main執行緒，而建立應用類載入器AppClassLoader的時候，會將AppClassLoader設定成Main執行緒的上下文類載入器：

public Launcher() {  
      Launcher.ExtClassLoader var1;  
      try {  
          var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();  
      } catch (IOException var10) {  
          throw new InternalError(“Could not create extension class loader”, var10);  
      }  

      try {  
          this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);  
      } catch (IOException var9) {  
          throw new InternalError(“Could not create application class loader”, var9);  
      }  
//將AppClassLoader設定成當前執行緒的上下文載入器  
      Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);  
      //…….  

  }

　　執行緒上下文類載入器是從執行緒的角度來看待類的載入，為每一個執行緒繫結一個類載入器，可以將類的載入從單純的雙親載入模型解放出來，進而實現特定的載入需求。

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Step 3. 建立JVM 啟動器例項 Launcher,並取得類載入器ClassLoader

Step 4. 使用類載入器ClassLoader載入Main類

Step 5. 使用Main類的main方法作為程式入口執行程式

Step 6. 方法執行完畢，JVM銷燬，釋放記憶體

三、類載入器有哪些？其組織結構是怎樣的？

四、雙親載入模型的邏輯和底層程式碼實現是怎樣的？

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Step 4. 使用類載入器ClassLoader載入Main類

Step 5. 使用Main類的main方法作為程式入口執行程式

Step 6. 方法執行完畢，JVM銷燬，釋放記憶體

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