实例说明类加载过程

本篇为学习JAVA虚拟机的第十三篇文章，本文从一个简单程序入手，将前面所学串联起来，详细来看看类加载的过程到底是什么样子的。

零、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;  

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。

下面逐一分析一下这几个步骤。

一、根据JVM内存配置要求，为JVM申请特定大小的内存空间

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。

二、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	是一组包，它们提供用于加密、密钥生成和协商以及 Message Authentication Code（MAC）
jsse.jar	安全套接字拓展包Java™ 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，而引导类加载器是由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。

三、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：

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

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：

四、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。

1 2	lassLoader 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的常量信息。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：

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<T>实例；

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<sun.security.pkcs11.P11Util>实例；

加载org.luanlouis.jvm.load.Main

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。
而结果表明BootstrapClassLoader 没有加载过它，
这时候AppClassLoader只能自己动手负责将其加载到内存中，
然后返回对应的Class<org.luanlouis.jvm.load.Main>实例引用；

以上三步骤都成功，才表示classLoader.loadClass("org.luanlouis.jvm.load.Main")完成，上述操作完成后，JVM内存方法区的格局会如下所示：

如上图所示：

JVM方法区的类信息区是按照类加载器进行划分的，每个类加载器会维护自己加载类信息；
某个类加载器在加载相应的类时，会相应地在JVM内存堆（Heap）中创建一个对应的Class<T>，用来表示访问该类信息的入口

五、使用Main类的main方法作为程序入口运行程序

就是去执行指令，过程与Java如何执行一个最简单的程序类似。

六、方法执行完毕，JVM销毁，释放内存

对于本程序，主程序执行完毕，释放主函数所在的栈帧，释放堆中的内存。

七、再来回顾回顾java类加载器相关的概念吧

本处的内容为再次简单说明，具体见双亲委派模型。类加载器(Class Loader)：顾名思义，指的是可以加载类的工具。JVM自身定义了三个类加载器：引导类加载器(Bootstrap Class Loader)、拓展类加载器(Extension Class Loader )、应用加载器(Application Class Loader)。当然，我们有时候也会自己定义一些类加载器来满足自身的需要。

引导类加载器(Bootstrap Class Loader): 该类加载器使JVM使用C++/C底层代码实现的加载器，用以加载JVM运行时所需要的系统类，这些系统类在{JRE_HOME}/lib目录下。由于类加载器是使用平台相关的底层C++/C语言实现的，所以该加载器不能被Java代码访问到。但是，我们可以查询某个类是否被引导类加载器加载过。我们经常使用的系统类如：java.lang.String,java.lang.Object,java.lang*… 这些都被放在 {JRE_HOME}/lib/rt.jar包内，当JVM系统启动的时候，引导类加载器会将其加载到 JVM内存的方法区中。

拓展类加载器(Extension Class Loader): 该加载器是用于加载 java 的拓展类，拓展类一般会放在{JRE_HOME}/lib/ext/ 目录下，用来提供除了系统类之外的额外功能。拓展类加载器是是整个JVM加载器的Java代码可以访问到的类加载器的最顶端，即是超级父加载器，拓展类加载器是没有父类加载器的。（注意，其实引导类加载器不能算是扩展类加载器的父类，我们从源码中可以看出来的）

应用类加载器(Applocatoin Class Loader): 该类加载器是用于加载用户代码，是用户代码的入口。我经常执行指令 java xxx.x.xxx.x.x.XClass , 实际上，JVM就是使用的AppClassLoader加载 xxx.x.xxx.x.x.XClass 类的。

用户自定义类加载器（Customized Class Loader）：用户可以自己定义类加载器来加载类。所有的类加载器都要继承java.lang.ClassLoader类。

关于双亲委派模型，就不再赘述了。

八、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：

1	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。