《Java虚拟机原理图解》3. JVM类加载器机制与类加载过程

前言
读完本文，你将了解到：
一、为什么说Jabalpur语言是跨平台的
二、Java虚拟机启动、加载类过程分析
三、类加载器有哪些？其组织结构是怎样的？
四、双亲加载模型的逻辑和底层代码实现是怎样的？
五、类加载器与Class 实例的关系
六、线程上下文加载器

一、为什么说Java语言是跨平台的？

Java语言之所以说它是跨平台的、可以在当前绝大部分的操作系统平台下运行，是因为Java语言的运行环境是在Java虚拟机中。

Java虚拟机消除了各个平台之间的差异，只要操作系统平台下安装了Java虚拟机，那么使用Java开发的东西都能在其上面运行。如下图所示：

Java虚拟机对各个平台而言，实质上是各个平台上的一个可执行程序。例如在windows平台下，java虚拟机对于windows而言，就是一个java.exe进程而已。
二、Java虚拟机启动、加载类过程分析
下面我将定义一个非常简单的java程序并运行它，来逐步分析java虚拟机启动的过程。

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命令行下输入：
java org.luanlouis.jvm.load.Main
当输入上述的命令时：
windows开始运行{JRE_HOME}/bin/java.exe程序，java.exe 程序将完成以下步骤：

1. 根据JVM内存配置要求，为JVM申请特定大小的内存空间；
2. 创建一个引导类加载器实例，初步加载系统类到内存方法区区域中；
3. 创建JVM 启动器实例 Launcher,并取得类加载器ClassLoader；
4. 使用上述获取的ClassLoader实例加载我们定义的 org.luanlouis.jvm.load.Main类；
5. 加载完成时候JVM会执行Main类的main方法入口，执行Main类的main方法；
6. 结束，java程序运行结束，JVM销毁。

Step 1.根据JVM内存配置要求，为JVM申请特定大小的内存空间

为了降低本文的理解难度，这里就不详细介绍JVM内存配置要求的话题，今概括地介绍一下内存的功能划分。

JVM启动时，按功能划分，其内存应该由以下几部分组成：

如上图所示，JVM内存按照功能上的划分，可以粗略地划分为方法区(Method Area) 和堆(Heap),而所有的类的定义信息都会被加载到方法区中。

Step 2. 创建一个引导类加载器实例，初步加载系统类到内存方法区区域中；
JVM申请好内存空间后，JVM会创建一个引导类加载器（Bootstrap Classloader）实例，引导类加载器是使用C++语言实现的，负责加载JVM虚拟机运行时所需的基本系统级别的类，如java.lang.String, java.lang.Object等等。
引导类加载器(Bootstrap Classloader)会读取 {JRE_HOME}/lib 下的jar包和配置，然后将这些系统类加载到方法区内。
本例中，引导类加载器是用 {JRE_HOME}/lib加载类的，不过，你也可以使用参数 -Xbootclasspath 或 系统变量sun.boot.class.path来指定的目录来加载类。
一般而言，{JRE_HOME}/lib下存放着JVM正常工作所需要的系统类，如下表所示：

文件名 描述
rt.jar 运行环境包，rt即runtime，J2SE 的类定义都在这个包内
charsets.jar 字符集支持包
jce.jar 一组包，它们提供用于加密、密钥生成和协商以及 Message Authentication Code（MAC）算法的框架和实现
jsse.jar 安全套接字拓展包Java(TM) Secure Socket Extension
classlist 该文件内表示是引导类加载器应该加载的类的清单
net.properties JVM 网络配置信息

引导类加载器(Bootstrap ClassLoader） 加载系统类后，JVM内存会呈现如下格局：

引导类加载器将类信息加载到方法区中，以特定方式组织，对于某一个特定的类而言，在方法区中它应该有 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,由于这些类是由引导类加载器(Bootstrap Classloader)进行加载的，而 引导类加载器是有C++语言实现的，所以是无法访问的，故而该引用为NULL
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。

当我们在代码中尝试获取系统类如java.lang.Object的类加载器时，你会始终得到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. 创建JVM 启动器实例 Launcher,并取得类加载器ClassLoader

上述步骤完成，JVM基本运行环境就准备就绪了。接着，我们要让JVM工作起来了：运行我们定义的程序 org.luanlouis,jvm.load.Main。
此时，JVM虚拟机调用已经加载在方法区的类sun.misc.Launcher 的静态方法getLauncher(), 获取sun.misc.Launcher 实例：

sun.misc.Launcher launcher = sun.misc.Launcher.getLauncher(); //获取Java启动器  
ClassLoader classLoader = launcher.getClassLoader();          //获取类加载器ClassLoader用来加载class到内存来  

sun.misc.Launcher 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的内部，其定义了两个类加载器(ClassLoader),分别是sun.misc.Launcher.ExtClassLoader和sun.misc.Launcher.AppClassLoader，这两个类加载器分别被称为拓展类加载器(Extension ClassLoader) 和 应用类加载器(Application ClassLoader).如下图所示：

图例注释：除了引导类加载器(Bootstrap Class Loader )的所有类加载器，都有一个能力，就是判断某一个类是否被引导类加载器加载过，如果加载过，可以直接返回对应的Class instance，如果没有，则返回null. 图上的指向引导类加载器的虚线表示类加载器的这个有限的访问 引导类加载器的功能。

此时的 launcher.getClassLoader() 方法将会返回 AppClassLoader 实例，AppClassLoader将ExtClassLoader作为自己的父加载器。

当AppClassLoader加载类时，会首先尝试让父加载器ExtClassLoader进行加载，如果父加载器ExtClassLoader加载成功，则AppClassLoader直接返回父加载器ExtClassLoader加载的结果；如果父加载器ExtClassLoader加载失败，AppClassLoader则会判断该类是否是引导的系统类(即是否是通过Bootstrap类加载器加载，这会调用Native方法进行查找)；若要加载的类不是系统引导类，那么ClassLoader将会尝试自己加载，加载失败将会抛出“ClassNotFoundException”。

具体AppClassLoader的工作流程如下所示：

双亲委派模型(parent-delegation model)

上面讨论的应用类加载器AppClassLoader的加载类的模式就是我们常说的双亲委派模型(parent-delegation model).
对于某个特定的类加载器而言，应该为其指定一个父类加载器，当用其进行加载类的时候：

1. 委托父类加载器帮忙加载；
2. 父类加载器加载不了，则查询引导类加载器有没有加载过该类；
3. 如果引导类加载器没有加载过该类，则当前的类加载器应该自己加载该类；
4. 若加载成功，返回 对应的Class 对象；若失败，抛出异常“ClassNotFoundException”。

请注意：
双亲委派模型中的”双亲”并不是指它有两个父类加载器的意思，一个类加载器只应该有一个父加载器。上面的步骤中，有两个角色：
1. 父类加载器(parent classloader)：它可以替子加载器尝试加载类
2. 引导类加载器（bootstrap classloader）: 子类加载器只能判断某个类是否被引导类加载器加载过，而不能委托它加载某个类；换句话说，就是子类加载器不能接触到引导类加载器，引导类加载器对其他类加载器而言是透明的。

一般情况下，双亲加载模型如下所示：

Step 4. 使用类加载器ClassLoader加载Main类
通过 launcher.getClassLoader()方法返回AppClassLoader实例，接着就是AppClassLoader加载 org.luanlouis.jvm.load.Main类的时候了。

ClassLoader classloader = launcher.getClassLoader();//取得AppClassLoader类  
classLoader.loadClass("org.luanlouis.jvm.load.Main");//加载自定义类  

上述定义的org.luanlouis.jvm.load.Main类被编译成org.luanlouis.jvm.load.Main class二进制文件，这个class文件中有一个叫常量池(Constant Pool)的结构体来存储该class的常亮信息。常量池中有CONSTANT_CLASS_INFO类型的常量，表示该class中声明了要用到那些类：

当AppClassLoader要加载 org.luanlouis.jvm.load.Main类时，会去查看该类的定义，发现它内部声明使用了其它的类： sun.security.pkcs11.P11Util、java.lang.Object、java.lang.System、java.io.PrintStream、java.lang.Class；org.luanlouis.jvm.load.Main类要想正常工作，首先要能够保证这些其内部声明的类加载成功。所以AppClassLoader要先将这些类加载到内存中。（注：为了理解方便，这里没有考虑懒加载的情况，事实上的JVM加载类过程比这复杂的多）
加载顺序：
1. 加载java.lang.Object、java.lang.System、java.io.PrintStream、java.lang.Class
AppClassLoader尝试加载这些类的时候，会先委托ExtClassLoader进行加载；而ExtClassLoader发现不是其加载范围，其返回null；AppClassLoader发现父类加载器ExtClassLoader无法加载，则会查询这些类是否已经被BootstrapClassLoader加载过，结果表明这些类已经被BootstrapClassLoader加载过，则无需重复加载，直接返回对应的Class实例；
2. 加载sun.security.pkcs11.P11Util
此在{JRE_HOME}/lib/ext/sunpkcs11.jar包内，属于ExtClassLoader负责加载的范畴。AppClassLoader尝试加载这些类的时候，会先委托ExtClassLoader进行加载；而ExtClassLoader发现其正好属于加载范围，故ExtClassLoader负责将其加载到内存中。ExtClassLoader在加载sun.security.pkcs11.P11Util时也分析这个类内都使用了哪些类，并将这些类先加载内存后，才开始加载sun.security.pkcs11.P11Util，加载成功后直接返回对应的Class

//提供class类的二进制名称表示，加载对应class，加载成功，则返回表示该类对应的Class<T> instance 实例  
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，检查是否已经被当前的类加载器记载过了，如果已经被加载，直接返回对应的Class<T>实例  
        Class<?> c = findLoadedClass(name);  
            //初次加载  
            if (c == null) {  
            long t0 = System.nanoTime();  
            try {  
                if (parent != null) {  
                    //如果有父类加载器，则先让父类加载器加载  
                    c = parent.loadClass(name, false);  
                } else {  
                    // 没有父加载器，则查看是否已经被引导类加载器加载，有则直接返回  
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);  
                }  
            } catch (ClassNotFoundException e) {  
                // ClassNotFoundException thrown if class not found  
                // from the non-null parent class loader  
            }  
            // 父加载器加载失败，并且没有被引导类加载器加载，则尝试该类加载器自己尝试加载  
            if (c == null) {  
                // If still not found, then invoke findClass in order  
                // to find the class.  
                long t1 = System.nanoTime();  
                // 自己尝试加载  
                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();  
            }  
        }  
        //是否解析类   
        if (resolve) {  
            resolveClass(c);  
        }  
        return

相对应地，我们可以整理出双亲模型的工作流程图：

相信读者看过这张图后会对双亲加载模型有了非常清晰的脉络。当然，这是JDK自身默认的加载类的行为，我们可以通过继承复写该方法，改变其行为。

五、类加载器与Class 实例的关系

六、线程上下文加载器
Java 任何一段代码的执行，都有对应的线程上下文。如果我们在代码中，想看当前是哪一个线程在执行当前代码，我们经常是使用如下方法：

Thread  thread = Thread.currentThread();//返回对当当前运行线程的引用  

相应地，我们可以为当前的线程指定类加载器。在上述的例子中， 当执行 java org.luanlouis.jvm.load.Main 的时候，JVM会创建一个Main线程，而创建应用类加载器AppClassLoader的时候，会将AppClassLoader 设置成Main线程的上下文类加载器：

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);  
      }  
//将AppClassLoader设置成当前线程的上下文加载器  
      Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);  
      //.......  

线程上下文类加载器是从线程的角度来看待类的加载，为每一个线程绑定一个类加载器，可以将类的加载从单纯的 双亲加载模型解放出来，进而实现特定的加载需求。

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