談談 Java 類加載機制

概述

類加載器主要分爲兩類，一類是 JDK 默認提供的，一類是用戶自定義的。 JDK 默認提供三種類加載器：

1. Bootstrap ClassLoader 啓動類加載器：每次執行 java 命令時都會使用該加載器爲虛擬機加載核心類。該加載器是由 native code 實現，而不是 Java 代碼，加載類的路徑爲 <JAVA_HOME>/jre/lib。特別的 <JAVA_HOME>/jre/lib/rt.jar 中包含了 sun.misc.Launcher 類， 而 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 和 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 都是 sun.misc.Launcher 的內部類，因此拓展類加載器和系統類加載器都是由啓動類加載器加載的。
2. Extension ClassLoader, 拓展類加載器：用於加載拓展庫中的類。拓展庫路徑爲 <JAVA_HOME>/jre/lib/ext/。實現類爲 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
3. System ClassLoader 系統類加載器：用於加載 CLASSPATH 中的類。實現類爲 sun.misc.Launcher$AppClassLoader

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用戶自定義的類加載器

1. Custom ClassLoader, 通常都是 java.lang.ClassLoder 的子類

正統的類加載機制是基於雙親委派的，也就是當調用類加載器加載類時，首先將加載任務委派給雙親，若雙親沒法加載成功時，本身才進行類加載。

在實例化一個新的類加載器時，咱們能夠爲其指定一個 parent，即雙親，若未顯式指定，則 System ClassLoader 就做爲默認雙親。

具體的說，類加載任務是由 ClassLoader 的 loadClass() 方法來執行的，他會按照如下順序加載類：

1. 經過 findLoadedClass() 看該類是否已經被加載。該方法爲 native code 實現，若已加載則返回。
2. 若未加載則委派給雙親，parent.loadClass()，若成功則返回。
3. 若未成功，則調用 findClass() 方法加載類。java.lang.ClassLoader 中該方法只是簡單的拋出一個 ClassNotFoundException 因此，自定義的 ClassLoader 都須要 Override findClass() 方法。

類加載API

java.lang.ClassLoader

• ClassLoader 是一個抽象類。
• 待加載的類必須用 The Java™ Language Specification 定義的全類名，全類名的定義請查閱 The Form of a Binary。
• 給定一個全類名，類加載器應該去定位該類所在的位置。通用的策略是將全類名轉換爲類文件路徑，而後經過類文件路徑在文件系統中定位。
• 每個加載到內存的類都由一個 Class 對象來表示，每個 Class 對象都有一個指向加載該類的類加載器的引用。可是數組的 Class 對象是由 Java 運行時環境建立的，經過 Class.getClassLoader() 方法返回的是數組元素的類加載器，若數組元素是基本類型，則返回 null，若類是由 Bootstrap ClassLoader 加載的話也是返回 null。

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  public class Main {     public static void main(String[] args) {         // Object 類在 <java_home>/jre/lib/rt.jar 中，         // 由 Bootstrap ClassLoader 加載，因爲該類加載器是由 native code 編寫         // 因此輸出爲 null         Object[] objects = new Object[5];         System.out.println();         System.out.println(objects.getClass().getClassLoader());           // ZipFileAttributes 類在 <java_home>/jre/lib/ext/zipfs.jar 中，         // 由 Extension ClassLoader 加載，         // 輸出爲  sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4b67cf4d         ZipFileAttributes[] attributes = new ZipFileAttributes[5];         System.out.println();         System.out.println(attributes.getClass().getClassLoader());           // Main 類是自定義的類，         // 默認由 System ClassLoader 加載，         // 輸出爲 sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2         Main[] array = new Main[5];         array[0] = new Main();         System.out.println();         System.out.println(array.getClass().getClassLoader());     } }

• ClassLoader 默認支持並行加載，可是其子類必須調用 ClassLoader.registerAsParallelCapable() 來啓用並行加載
• 通常來講,JVM 從本地文件系統加載類的行爲是與平臺有關的。
• defineClass() 方法能夠將字節流轉換成一個 Class 對象。而後調用 Class.newInstance() 來建立類的實例

java.security.SecureClassLoader

增長了一層權限驗證，由於關注點不在安全，因此暫不討論。

java.net.URLClassLoader

該類加載器用來加載 URL 指定的 JAR 文件或目錄中的類和資源，以 / 結尾的 URL 認爲是目錄，不然認爲是 JAR 文件。

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// 嘗試經過 URLClassLoader 來加載桌面下的 Test 類。 public class Main {     public static void main(String[] args) {         try {             URL[] urls = new URL[1];             URLStreamHandler streamHandler = null;             File classPath = new File("/home/chen/Desktop/");             String repository = (new URL("file", null,                     classPath.getCanonicalPath() + File.separator))                     .toString();             urls[0] = new URL(null, repository, streamHandler);               ClassLoader loader = new URLClassLoader(urls);               Class testClass = loader.loadClass("Test");               // output:  java.net.URLClassLoader@7f31245a             System.out.println(testClass.getClassLoader());         } catch (MalformedURLException e) {             e.printStackTrace();         } catch (IOException e) {             e.printStackTrace();         } catch (ClassNotFoundException e) {             e.printStackTrace();         }     } }

Tomcat 8.5.15類加載機制

Tomcat 使用正統的類加載機制(雙親委派),但部分地方作了改動。

• Bootstrap classLoader 和 Extension classLoader 的做用不變。
• System classLoader 正常狀況下加載的是 CLASSPATH 下的類，可是 Tomcat 的啓動腳本並未使用該變量，而是從如下倉庫下加載類：

1. $CATALINA_HOME/bin/bootstrap.jar 包含了 Tomcat 的啓動類。在該啓動類中建立了 Common classLoader、Catalina classLoader、shared classLoader。由於 $CATALINA_BASE/conf/catalina.properties 中只對 common.loader 屬性作了定義，server.loader 和 shared.loader 屬性爲空，因此默認狀況下，這三個 classLoader 都是 CommonLoader。具體的代碼邏輯能夠查閱 org.apache.catalina.startup.Bootstrap 類的 initClassLoaders() 方法和 createClassLoader() 方法。
2. $CATALINA_BASE/bin/tomcat-juli.jar 包含了 Tomcat 日誌模塊所須要的實現類。
3. $CATALINA_HOME/bin/commons-daemon.jar。

• Common classLoader 是位於 Tomcat 應用服務器頂層的公用類加載器。由其加載的類能夠由 Tomcat 自身類和全部應用程序使用。掃描路徑由 $CATALINA_BASE/conf/catalina.properties 文件中的 common.loader 屬性定義。默認是 $CATALINA_HOME/lib。
• catalina classLoader 用於加載服務器內部可見類，這些類應用程序不能訪問。
• shared classLoader 用於加載應用程序共享類，這些類服務器不會依賴。
• Webapp classLoader 。每一個應用程序都會有一個獨一無二的 webapp classloader，他用來加載本應用程序 /WEB-INF/classes 和 /WEB-INF/lib 下的類。

特別的：

Webapp classLoader 的默認行爲會與正常的雙親委派模式不一樣：

1. 從 Bootstrap classloader 加載。
2. 若沒有，從 /WEB-INF/classes 加載。
3. 若沒有，從 /WEB-INF/lib/*.jar 加載。
4. 若沒有，則依次從 System、Common、shared 加載（該步驟使用雙親委派）。

固然了，咱們也能夠經過配置來使 Webapp classLoader 嚴格按照雙親委派模式加載類：

1. 經過在工程的 META-INF/context.xml（和 WEB-INF/classes 在同一目錄下） 配置文件中添加 <Loader delegate="true"/>
2. 由於 Webapp classLoader 的實現類是 org.apache.catalina.loader.WebappLoader，他有一個屬性叫 delegate， 用來控制類加載器的加載行爲，默認爲 false，咱們可使用 set 方法，將其設爲 true 來啓用嚴格雙親委派加載模式。

嚴格雙親委派模式加載步驟：

1. 從 Bootstrap classloader 加載。
2. 若沒有，則依次從 System、Common、shared 加載。
3. 若沒有，從 /WEB-INF/classes 加載。
4. 若沒有，從 /WEB-INF/lib/*.jar 加載。

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