Java ClassLoader深刻講解(轉)

時間 2019-11-19

原文原文鏈接

當JVM（Java虛擬機）啓動時，會造成由三個類加載器組成的初始類加載器層次結構：

bootstrap classloader
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extension classloader
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system classloader

bootstrap classloader －引導（也稱爲原始）類加載器，它負責加載Java的核心類。在Sun的JVM中，在執行java的命令中使用-Xbootclasspath選項或使用 - D選項指定sun.boot.class.path系統屬性值能夠指定附加的類。這個加載器的是很是特殊的，它實際上不是 java.lang.ClassLoader的子類，而是由JVM自身實現的。你們能夠經過執行如下代碼來得到bootstrap classloader加載了那些核心類庫：
URL[] urls=sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
System.out.println(urls.toExternalform());
}
在個人計算機上的結果爲：
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/dom.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/sax.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xalan-2.3.1.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xercesImpl-2.0.0.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xml-apis.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xsltc.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/rt.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/i18n.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/sunrsasign.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/jsse.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/jce.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/charsets.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/classes
這時你們知道了爲何咱們不須要在系統屬性CLASSPATH中指定這些類庫了吧，由於JVM在啓動的時候就自動加載它們了。

extension classloader －擴展類加載器，它負責加載JRE的擴展目錄（JAVA_HOME/jre/lib/ext或者由java.ext.dirs系統屬性指定的）中JAR的類包。這爲引入除Java核心類之外的新功能提供了一個標準機制。由於默認的擴展目錄對全部從同一個JRE中啓動的JVM都是通用的，因此放入這個目錄的 JAR類包對全部的JVM和system classloader都是可見的。在這個實例上調用方法getParent()老是返回空值null，由於引導加載器bootstrap classloader不是一個真正的ClassLoader實例。因此當你們執行如下代碼時：
System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
ClassLoader extensionClassloader=ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
System.out.println("the parent of extension classloader : "+extensionClassloader.getParent());
結果爲：
C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/ext
the parent of extension classloader : null
extension classloader是system classloader的parent，而bootstrap classloader是extension classloader的parent，但它不是一個實際的classloader，因此爲null。

system classloader －系統（也稱爲應用）類加載器，它負責在JVM被啓動時，加載來自在命令java中的-classpath或者java.class.path系統屬性或者 CLASSPATH操做系統屬性所指定的JAR類包和類路徑。總能經過靜態方法ClassLoader.getSystemClassLoader()找到該類加載器。若是沒有特別指定，則用戶自定義的任何類加載器都將該類加載器做爲它的父加載器。執行如下代碼便可得到：
System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
輸出結果則爲用戶在系統屬性裏面設置的CLASSPATH。
classloader 加載類用的是全盤負責委託機制。所謂全盤負責，便是當一個classloader加載一個Class的時候，這個Class所依賴的和引用的全部 Class也由這個classloader負責載入，除非是顯式的使用另一個classloader載入；委託機制則是先讓parent（父）類加載器 (而不是super，它與parent classloader類不是繼承關係)尋找，只有在parent找不到的時候才從本身的類路徑中去尋找。此外類加載還採用了cache機制，也就是若是 cache中保存了這個Class就直接返回它，若是沒有才從文件中讀取和轉換成Class，並存入cache，這就是爲何咱們修改了Class可是必須從新啓動JVM才能生效的緣由。

每一個ClassLoader加載Class的過程是：
1.檢測此Class是否載入過（即在cache中是否有此Class），若是有到8,若是沒有到2
2.若是parent classloader不存在（沒有parent，那parent必定是bootstrap classloader了），到4
3.請求parent classloader載入，若是成功到8，不成功到5
4.請求jvm從bootstrap classloader中載入，若是成功到8
5.尋找Class文件（從與此classloader相關的類路徑中尋找）。若是找不到則到7.
6.從文件中載入Class，到8.
7.拋出ClassNotFoundException.
8.返回Class.

其中5.6步咱們能夠經過覆蓋ClassLoader的findClass方法來實現本身的載入策略。甚至覆蓋loadClass方法來實現本身的載入過程。

類加載器的順序是：
先是bootstrap classloader，而後是extension classloader，最後纔是system classloader。你們會發現加載的Class越是重要的越在靠前面。這樣作的緣由是出於安全性的考慮，試想若是system classloader「親自」加載了一個具備破壞性的「java.lang.System」類的後果吧。這種委託機制保證了用戶即便具備一個這樣的類，也把它加入到了類路徑中，可是它永遠不會被載入，由於這個類老是由bootstrap classloader來加載的。你們能夠執行一下如下的代碼：
System.out.println(System.class.getClassLoader());
將會看到結果是null，這就代表java.lang.System是由bootstrap classloader加載的，由於bootstrap classloader不是一個真正的ClassLoader實例，而是由JVM實現的，正如前面已經說過的。

下面就讓咱們來看看JVM是如何來爲咱們來創建類加載器的結構的：
sun.misc.Launcher，顧名思義，當你執行java命令的時候，JVM會先使用bootstrap classloader載入並初始化一個Launcher，執行下來代碼：
System.out.println("the Launcher's classloader is "+sun.misc.Launcher.getLauncher().getClass().getClassLoader());
結果爲：
the Launcher's classloader is null (由於是用bootstrap classloader加載,因此class loader爲null)
Launcher 會根據系統和命令設定初始化好class loader結構，JVM就用它來得到extension classloader和system classloader,並載入全部的須要載入的Class，最後執行java命令指定的帶有靜態的main方法的Class。extension classloader其實是sun.misc.Launcher$ExtClassLoader類的一個實例，system classloader其實是sun.misc.Launcher$AppClassLoader類的一個實例。而且都是 java.net.URLClassLoader的子類。

讓咱們來看看Launcher初試化的過程的部分代碼。

Launcher的部分代碼：
public class Launcher {
public Launcher() {
ExtClassLoader extclassloader;
try {
//初始化extension classloader
extclassloader = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
} catch(IOException ioexception) {
throw new InternalError("Could not create extension class loader");
}
try {
//初始化system classloader，parent是extension classloader
loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extclassloader);
} catch(IOException ioexception1) {
throw new InternalError("Could not create application class loader");
}
//將system classloader設置成當前線程的context classloader（將在後面加以介紹）
Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
......
}
public ClassLoader getClassLoader() {
//返回system classloader
return loader;
}
}

extension classloader的部分代碼：
static class Launcher$ExtClassLoader extends URLClassLoader {

public static Launcher$ExtClassLoader getExtClassLoader()
throws IOException
{
File afile[] = getExtDirs();
return (Launcher$ExtClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$1(afile));
}
private static File[] getExtDirs() {
//得到系統屬性「java.ext.dirs」
String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
File afile[];
if(s != null) {
StringTokenizer stringtokenizer = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
int i = stringtokenizer.countTokens();
afile = new File;
for(int j = 0; j < i; j++)
afile[j] = new File(stringtokenizer.nextToken());

} else {
afile = new File[0];
}
return afile;
}
}

system classloader的部分代碼：
static class Launcher$AppClassLoader extends URLClassLoader
{

public static ClassLoader getAppClassLoader(ClassLoader classloader)
throws IOException
{
//得到系統屬性「java.class.path」
String s = System.getProperty("java.class.path");
File afile[] = s != null ? Launcher.access$200(s) : new File[0];
return (Launcher$AppClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$2(s, afile, classloader));
}
}

看了源代碼你們就清楚了吧，extension classloader是使用系統屬性「java.ext.dirs」設置類搜索路徑的，而且沒有parent。system classloader是使用系統屬性「java.class.path」設置類搜索路徑的，而且有一個parent classloader。Launcher初始化extension classloader，system classloader，並將system classloader設置成爲context classloader，可是僅僅返回system classloader給JVM。

　　這裏怎麼又出來一個context classloader呢？它有什麼用呢？咱們在創建一個線程Thread的時候，能夠爲這個線程經過setContextClassLoader方法來指定一個合適的classloader做爲這個線程的context classloader，當此線程運行的時候，咱們能夠經過getContextClassLoader方法來得到此context classloader，就能夠用它來載入咱們所須要的Class。默認的是system classloader。利用這個特性，咱們能夠「打破」classloader委託機制了，父classloader能夠得到當前線程的context classloader，而這個context classloader能夠是它的子classloader或者其餘的classloader，那麼父classloader就能夠從其得到所需的 Class，這就打破了只能向父classloader請求的限制了。這個機制能夠知足當咱們的classpath是在運行時才肯定,並由定製的 classloader加載的時候,由system classloader(即在jvm classpath中)加載的class能夠經過context classloader得到定製的classloader並加載入特定的class(一般是抽象類和接口,定製的classloader中是其實現),例如web應用中的servlet就是用這種機制加載的.

好了，如今咱們瞭解了classloader的結構和工做原理，那麼咱們如何實如今運行時的動態載入和更新呢？只要咱們可以動態改變類搜索路徑和清除classloader的cache中已經載入的Class就好了，有兩個方案，一是咱們繼承一個classloader，覆蓋loadclass方法，動態的尋找Class文件並使用defineClass方法來；另外一個則很是簡單實用，只要從新使用一個新的類搜索路徑來new一個classloader就好了，這樣即更新了類搜索路徑以便來載入新的Class，也從新生成了一個空白的cache(固然,類搜索路徑不必定必須更改)。噢，太好了，咱們幾乎不用作什麼工做，java.netURLClassLoader正是一個符合咱們要求的classloader！咱們能夠直接使用或者繼承它就能夠了！

這是j2se1.4 API的doc中URLClassLoader的兩個構造器的描述：
URLClassLoader(URL[] urls)
Constructs a new URLClassLoader for the specified URLs using the default delegation parent ClassLoader.
URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent)
Constructs a new URLClassLoader for the given URLs.
其中URL[] urls就是咱們要設置的類搜索路徑，parent就是這個classloader的parent classloader，默認的是system classloader。

好，如今咱們可以動態的載入Class了，這樣咱們就能夠利用newInstance方法來得到一個Object。但咱們如何將此Object造型呢？能夠將此Object造型成它自己的Class嗎？

首先讓咱們來分析一下java源文件的編譯，運行吧！javac命令是調用「JAVA_HOME/lib/tools.jar」中的「com.sun.tools.javac.Main」的compile方法來編譯：

public static int compile(String as[]);

public static int compile(String as[], PrintWriter printwriter);

返回0表示編譯成功，字符串數組as則是咱們用javac命令編譯時的參數，以空格劃分。例如：
javac -classpath c:/foo/bar.jar;. -d c:/ c:/Some.java
則字符串數組as爲{"-classpath","c://foo//bar.jar;.","-d","c://","c://Some.java"}，若是帶有PrintWriter參數，則會把編譯信息出到這個指定的printWriter中。默認的輸出是System.err。

其中 Main是由JVM使用Launcher初始化的system classloader載入的，根據全盤負責原則，編譯器在解析這個java源文件時所發現的它所依賴和引用的全部Class也將由system classloader載入，若是system classloader不能載入某個Class時，編譯器將拋出一個「cannot resolve symbol」錯誤。

因此首先編譯就通不過，也就是編譯器沒法編譯一個引用了不在CLASSPATH中的未知Class的java源文件，而因爲拼寫錯誤或者沒有把所需類庫放到CLASSPATH中，你們必定常常看到這個「cannot resolve symbol」這個編譯錯誤吧！

其次，就是咱們把這個Class放到編譯路徑中，成功的進行了編譯，而後在運行的時候不把它放入到CLASSPATH中而利用咱們本身的 classloader來動態載入這個Class，這時候也會出現「java.lang.NoClassDefFoundError」的違例，爲何呢？

我們再來分析一下，首先調用這個造型語句的可執行的Class必定是由JVM使用Launcher初始化的system classloader載入的，根據全盤負責原則，當咱們進行造型的時候，JVM也會使用system classloader來嘗試載入這個Class來對實例進行造型，天然在system classloader尋找不到這個Class時就會拋出「java.lang.NoClassDefFoundError」的違例。

OK，如今讓咱們來總結一下，java文件的編譯和Class的載入執行，都是使用Launcher初始化的system classloader做爲類載入器的，咱們沒法動態的改變system classloader，更沒法讓JVM使用咱們本身的classloader來替換system classloader，根據全盤負責原則，就限制了編譯和運行時，咱們沒法直接顯式的使用一個system classloader尋找不到的Class，即咱們只能使用Java核心類庫，擴展類庫和CLASSPATH中的類庫中的Class。

還不死心！再嘗試一下這種狀況，咱們把這個Class也放入到CLASSPATH中，讓system classloader可以識別和載入。而後咱們經過本身的classloader來從指定的class文件中載入這個Class（不可以委託 parent載入，由於這樣會被system classloader從CLASSPATH中將其載入），而後實例化一個Object，並造型成這個Class，這樣JVM也識別這個Class（由於 system classloader可以定位和載入這個Class從CLASSPATH中），載入的也不是CLASSPATH中的這個Class，而是從 CLASSPATH外動態載入的，這樣總行了吧！十分不幸的是，這時會出現「java.lang.ClassCastException」違例。

爲什麼呢？咱們也來分析一下，不錯，咱們雖然從CLASSPATH外使用咱們本身的classloader動態載入了這個Class，但將它的實例造型的時候是JVM會使用system classloader來再次載入這個Class，並嘗試將使用咱們的本身的classloader載入的Class的一個實例造型爲system classloader載入的這個Class（另外的一個）。你們發現什麼問題了嗎？也就是咱們嘗試將從一個classloader載入的Class的一個實例造型爲另一個classloader載入的Class，雖然這兩個Class的名字同樣，甚至是從同一個class文件中載入。但不幸的是JVM 卻認爲這個兩個Class是不一樣的，即JVM認爲不一樣的classloader載入的相同的名字的Class（即便是從同一個class文件中載入的）是不一樣的！這樣作的緣由我想大概也是主要出於安全性考慮，這樣就保證全部的核心Java類都是system classloader載入的，咱們沒法用本身的classloader載入的相同名字的Class的實例來替換它們的實例。

看到這裏，聰明的讀者必定想到了該如何動態載入咱們的Class，實例化，造型並調用了吧！

那就是利用面向對象的基本特性之一的多形性。咱們把咱們動態載入的Class的實例造型成它的一個system classloader所能識別的父類就好了！這是爲何呢？咱們仍是要再來分析一次。當咱們用咱們本身的classloader來動態載入這咱們只要把這個Class的時候，發現它有一個父類Class，在載入它以前JVM先會載入這個父類Class，這個父類Class是system classloader所能識別的，根據委託機制，它將由system classloader載入，而後咱們的classloader再載入這個Class，建立一個實例，造型爲這個父類Class，注意了，造型成這個父類 Class的時候（也就是上溯）是面向對象的java語言所容許的而且JVM也支持的，JVM就使用system classloader再次載入這個父類Class，而後將此實例造型爲這個父類Class。你們能夠從這個過程發現這個父類Class都是由 system classloader載入的，也就是同一個class loader載入的同一個Class，因此造型的時候不會出現任何異常。而根據多形性，調用這個父類的方法時，真正執行的是這個Class（非父類 Class）的覆蓋了父類方法的方法。這些方法中也能夠引用system classloader不能識別的Class，由於根據全盤負責原則，只要載入這個Class的classloader即咱們本身定義的 classloader可以定位和載入這些Class就好了。

這樣咱們就能夠事先定義好一組接口或者基類並放入CLASSPATH中，然後在執行的時候動態的載入實現或者繼承了這些接口或基類的子類。還不明白嗎？讓咱們來想想Servlet吧，web application server可以載入任何繼承了Servlet的Class並正確的執行它們，無論它實際的Class是什麼，就是都把它們實例化成爲一個Servlet Class，而後執行Servlet的init，doPost，doGet和destroy等方法的,而無論這個Servlet是從web- inf/lib和web-inf/classes下由system classloader的子classloader(即定製的classloader)動態載入。說了這麼多但願你們都明白了。在applet,ejb等容器中,都是採用了這種機制.

對於以上各類狀況，但願你們實際編寫一些example來實驗一下。

最後我再說點別的， classloader雖然稱爲類加載器，但並不意味着只能用來加載Class，咱們還能夠利用它也得到圖片，音頻文件等資源的URL，固然，這些資源必須在CLASSPATH中的jar類庫中或目錄下。咱們來看API的doc中關於ClassLoader的兩個尋找資源和Class的方法描述吧：
　　　　　　　　public URL getResource(String name)
　　　　　　　　用指定的名字來查找資源，一個資源是一些可以被class代碼訪問的在某種程度上依賴於代碼位置的數據（圖片，音頻，文本等等）。
一個資源的名字是以'/'號分隔肯定資源的路徑名的。
這個方法將先請求parent classloader搜索資源，若是沒有parent，則會在內置在虛擬機中的classloader（即bootstrap classloader）的路徑中搜索。若是失敗，這個方法將調用findResource(String)來尋找資源。
　　　　　　　　public static URL getSystemResource(String name)
從用來載入類的搜索路徑中查找一個指定名字的資源。這個方法使用system class loader來定位資源。即至關於ClassLoader.getSystemClassLoader().getResource(name)。

例如：
System.out.println(ClassLoader.getSystemResource("java/lang/String.class"));
的結果爲：
jar:文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/rt.jar!/java/lang/String.class
代表String.class文件在rt.jar的java/lang目錄中。
所以咱們能夠將圖片等資源隨同Class一同打包到jar類庫中（固然，也可單獨打包這些資源）並添加它們到class loader的搜索路徑中，咱們就能夠無需關心這些資源的具體位置，讓class loader來幫咱們尋找了！java