JVM_类加载机制详解

摘要：加载器种类启动类加载器在中用来加载自身需要的类，实现，用来加载。那么就能保证的类会被优先加载，限制了使用者对系统的影响。这种方式下就完成类加载器的双亲委派机制此处会将作为参数传入进去实际上是调用了方法

加载 -> 连接 (验证 -> 准备 -> 解析) -> 初始化 -> 使用 -> 卸载

加载阶段，jvm 会通过类名获取到此类的字节码文件(.class 文件)，
然后将该文件中的数据结构转存到内存里(转化为运行时方法区内的数据结构)，
最后在堆中生成一个代表该类的 Class 对象，用于后期使用者创建对象或者调用相关方法。

验证阶段用于保证 Class 文件符合 jvm 规范，如果验证失败会抛出 error。

在该阶段虚拟机会给类对象的静态成员变量配置内存空间，并赋初始值。

将类/接口/字段/方法中的号引用替换为直接引用。

虚拟机会调用类对象的初始化方法来进行类变量的赋值。

必须要有类去主动使用该 Class。
方式有：
使用 new 关键字、反射、克隆、反序列化；
调用类的静态方法；
调用一个类的子类的时候会初始化其父类；
包含 main() 方法的类。

被动使用则不会去装载 Class。
方式有：
调用了其父类的静态方法。

总结：

jvm 秉持了实用主义理念，对于没有用到的 Class 不会进行装载。
但是在 java 代码的启动环节会加载一些使用到的类。

在 jdk8 中用来加载 jvm 自身需要的类，c++ 实现，用来加载 rt.jar。
在 jdk9 之后的 jdk 中，Bootstrap ClassLoader 主要用来加载 java.base 中的核心系统类。

jdk8 中用来加载 ${JAVA_HOME}/lib/ext 目录下的类。
在 jdk9 中已经被移除。

jdk9 之后用来代替　ExtClassLoader 的加载器，用来加载 jdk 中的非核心模块类。

用来加载一般的应用类。

使用者自己定义的，一般继承 java.lang.ClassLoader 的类。

任意一个 ClassLoader 在尝试加载一个类的时候，都会先尝试调用其父类的相关方法去加载类，如果其父类不能加载该类，则交由子类去完成。

这样的好处：对于任意使用者自定义的 ClassLoader，都会先去尝试让 jvm 的 Bootstrap ClassLoader 去尝试加载(自定义的 ClassLoader 都继承了它们)。那么就能保证 jvm 的类会被优先加载，限制了使用者对 jvm 系统的影响。

源码探究使用 jdk11，与 jdk8 中的有些许不同。

ClassLoader 是类加载器的顶级父类，其核心的方法主要是 loadClass(...) 方法：

// ClassLoader.class
protected Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{
    // 加锁，保证线程安全
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 先去找一次 class 是否已经被加载了，如果已经被加载了就不用重复加载了
        // 此方法的核心逻辑由 c++ 实现
        Class c = findLoadedClass(name);
        // 没有被加载的情况
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime(); // 记录时间
            try {
                // 此处体现双亲委派机制
                // 如果该加载器存在父加载器，就会先去调用父加载器的相关方法
                // 如果没有父加载器，就去调用 Bootstrap 加载器
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 调用 BootstrapClassLoader，此方法的核心逻辑是 c++ 实现的
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {

            }

            // 如果依旧加载不到，那么就说明父加载器仍然加载不到信息
            // 那么就需要指定的加载器自己去加载了
            if (c == null) {

                long t1 = System.nanoTime();
                
                // 该加载器加载类文件的核心逻辑
                // 该方法在 ClassLoader 中是留空的，需要子类按照自身的逻辑去实现
                c = findClass(name);

                // 此处做一些信息记录，和主逻辑无关
                PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        
        if (resolve) {
            // 解析 class，也是留空的，需要子类去实现
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

BuiltinClassLoader 是 jdk9 中代替 URLClassLoader 的加载器，是 PlatformClassLoader 与 AppClassLoader 的父类。其继承了 SecureClassLoader，其核心的方法主要是 loadClassOrNull(...) 方法：

// BuiltinClassLoader.class

// step 1
@Override
protected Class loadClass(String cn, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{
    // 复写了 loadClass(...) 方法，但是核心是调用 loadClassOrNull(...)
    Class c = loadClassOrNull(cn, resolve);
    if (c == null)
        throw new ClassNotFoundException(cn);
    return c;
}

// step 2
protected Class loadClassOrNull(String cn, boolean resolve) {
    // 加锁，保证线程安全
    synchronized (getClassLoadingLock(cn)) {
        // 先去找一次 class 是否已经被加载了，此方法是 ClassLoader 中的
        Class c = findLoadedClass(cn);

        if (c == null) {

            // 这里会需要去先加载模块信息
            LoadedModule loadedModule = findLoadedModule(cn);
            if (loadedModule != null) {
                BuiltinClassLoader loader = loadedModule.loader();
                if (loader == this) {
                    if (VM.isModuleSystemInited()) {
                        c = findClassInModuleOrNull(loadedModule, cn);
                    }
                } else {
                    c = loader.loadClassOrNull(cn);
                }
            } else {

                // 先调用父加载器的相关方法去加载一次
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClassOrNull(cn);
                }

                // 如果没加载到，则用当前加载器去加载
                if (c == null && hasClassPath() &&　VM.isModuleSystemInited(){
                    // 此方法内会调用到 defineClass(...) 方法去加载类文件
                    c = findClassOnClassPathOrNull(cn);
                }
            }

        }

        // 解析 class
        if (resolve && c != null)
            resolveClass(c);

        return c;
    }
}

该加载器中还有一个加载 class 字节码的方法：

// BuiltinClassLoader.class
private Class defineClass(String cn, Resource res) throws IOException{
    
    URL url = res.getCodeSourceURL();

    // 先解析这个 class 的路径
    int pos = cn.lastIndexOf(".");
    if (pos != -1) {
        String pn = cn.substring(0, pos);
        Manifest man = res.getManifest();
        defineOrCheckPackage(pn, man, url);
    }

    // 这里会将 class 读取出来成一个 byte[] 字符串，并通过 jvm 的相关方法去加载
    ByteBuffer bb = res.getByteBuffer();
    if (bb != null) {
        CodeSigner[] signers = res.getCodeSigners();
        CodeSource cs = new CodeSource(url, signers);
        // 该方法最后会调用 ClassLoader 内的 native 方法
        return defineClass(cn, bb, cs);
    } else {
        byte[] b = res.getBytes();
        CodeSigner[] signers = res.getCodeSigners();
        CodeSource cs = new CodeSource(url, signers);
        // 该方法最后会调用 ClassLoader 内的 native 方法
        return defineClass(cn, b, 0, b.length, cs);
    }
}

BootClassLoader 是 ClassLoaders 的一个静态内部类，虽然它从代码实现上是 BuiltinClassLoader 的子类，但是从功能上说它是 PlatformClassLoader 的 parent 类：

// ClassLoader.class
private static class BootClassLoader extends BuiltinClassLoader {
    BootClassLoader(URLClassPath bcp) {
        super(null, null, bcp);
    }

    // 复写了 BuiltinClassLoader 中的 loadClassOrNull(...) 方法
    @Override
    protected Class loadClassOrNull(String cn) {
        return JLA.findBootstrapClassOrNull(this, cn);
    }
};

PlatformClassLoader 也是 ClassLoaders 的一个静态内部类，从功能上说它是 BootClassLoader 的子类，同时也是 AppClassLoader 的 parent 类。PlatformClassLoader 主要用来加载一些 module：

// ClassLoader.class
private static class PlatformClassLoader extends BuiltinClassLoader {
    static {
        if (!ClassLoader.registerAsParallelCapable())
            throw new InternalError();
    }

    // 此处会将 BootClassLoader 作为 parent 参数传入进去
    PlatformClassLoader(BootClassLoader parent) {
        super("platform", parent, null);
    }

    // 加载 module
    private Package definePackage(String pn, Module module) {
        return JLA.definePackage(this, pn, module);
    }
}

AppClassLoader 的核心方法是 loadClass(...)，最终会调用到 BuiltinClassLoader.loadClassOrNull(...) 方法，而此方法内部又会调用到 PlatformClassLoader.loadClass(...) 方法；然后实际上 PlatformClassLoader 内部又会去调用 BootClassLoader 的 loadClassOrNull(...) 方法。这种方式下就完成类加载器的双亲委派机制：

// ClassLoader.class
private static class AppClassLoader extends BuiltinClassLoader {
    static {
        if (!ClassLoader.registerAsParallelCapable())
            throw new InternalError();
    }

    final URLClassPath ucp;

    // 此处会将 PlatformClassLoader 作为 parent 参数传入进去
    AppClassLoader(PlatformClassLoader parent, URLClassPath ucp) {
        super("app", parent, ucp);
        this.ucp = ucp;
    }

    @Override
    protected Class loadClass(String cn, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{
        SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
        if (sm != null) {
            int i = cn.lastIndexOf(".");
            if (i != -1) {
                sm.checkPackageAccess(cn.substring(0, i));
            }
        }
        // 实际上是调用了 BuiltinClassLoader.loadClassOrNull(...) 方法
        return super.loadClass(cn, resolve);
    }

    @Override
    protected PermissionCollection getPermissions(CodeSource cs) {
        PermissionCollection perms = super.getPermissions(cs);
        perms.add(new RuntimePermission("exitVM"));
        return perms;
    }


    void appendToClassPathForInstrumentation(String path) {
        ucp.addFile(path);
    }


    private Package definePackage(String pn, Module module) {
        return JLA.definePackage(this, pn, module);
    }


    protected Package defineOrCheckPackage(String pn, Manifest man, URL url) {
        return super.defineOrCheckPackage(pn, man, url);
    }
}