JVM类加载机制

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，大体流程如下：

首先C++创建JVM-》C++创建引导类加载器-》创建启动器launcher-》launcher创建扩展类加载器和应用程序类加载器-》加载应用的二进制文件-》结束后销毁JVM。

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其中loadClass的类加载过程有如下几步：

加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载

1. 加载：将程序从磁盘加载到JVM内存。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
2. 验证：校验字节码文件的正确性
3. 准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值
4. 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
5. 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

java类的加载类似于懒加载，用到了才会加载。（例如new A()，A.staticMethod()会加载，如果是B b = null就不会加载B）

类加载器和双亲委派机制

Java里有如下几种类加载器

• 引导类加载器(C++实现)：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(java实现)：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(java实现)：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(自己实现)：负责加载用户自定义路径下的类包

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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。

比如我们的自定义Math类，最先会找应用程序类加载器加载-》程序类加载器发现有父加载器扩展类加载器-》委托扩展类加载器-》扩展类加载器发现也有父加载器，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，让扩展类自己加载-》扩展类加载器在自己的类加载路径里找了半天也没找到Math类，让应用程序类加载器自己加载-》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

ps：他们的关系是父子加载器，并不是父子关系，没有继承。

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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（自己写一个String类，名称包路径和核心库一样，写一个main方法并执行，双亲委派会一直找到引导类加载器，引导类加载器发现路径下有这个类然后加载，随后返回，当程序调用main发现string类没有main方法，报错）

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

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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。自定义类加载器默认父加载器为AppClassLoader

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

        public MyClassLoader(String classPath) {
            this.classPath = classPath;
        }
        // 读取磁盘二进制文件
        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/xwj/jvm 几级目录，将User类的复制类User1.class丢入该目录
        Class clazz = classLoader.loadClass("com.xwj.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.xwj.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader
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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();
                    // 此处有个问题，如果是自定义一个继承object类的类，类加载会去加载object，但是jvm为了防止
                    // 核心类被修改有规定核心类无法被修改，所以将object.class拷贝到响应路径下会报错，解决方法为
                    // 核心类还是使用双亲委派加载，自定义类使用非双亲委派
                    if(name.startsWith("java.lang")){
                        // 不打破
                        c = this.getParent().loadClass(name);
                    }else{
                        // 打破
                        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)
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