Java类载入器——类载入器层次与模型

Posted 2020-10-01 jhcelue

类载入器

??虚拟机设计团队把类载入阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描写叙述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现。以便让应用程序自己决定怎样去获取所须要的类。实现这个动作的代码模块称为“类载入器”。

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类载入器层次（等级）

??从JVM的角度来讲，仅仅存在两种不同的类载入器。
??第一类是启动类载入器（Bootstrap ClassLoader）：这个类载入器主要载入JVM自身工作须要的类。这个类载入器由C++语言实现（特指HotSpot）。是虚拟机自身的一部分。

负责将存放在%JAVA_HOME%\lib文件夹中的，或者被-Xbootclasspath參数所指定的路径中。而且是虚拟机识别的（仅依照文件名称识别。如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib文件夹中也不会被载入）类载入到虚拟机内存中。
??还有一类就是全部其它的类载入器，这些载入器都是由java实现，独立于虚拟机外部。

??Extension ClassLoader：这个类即在其有sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责载入%JAVA_HOME%\lib\ext文件夹中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的全部类库，开发人员能够直接使用扩展类载入器。

??Application ClassLoader：这个类载入器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。因为这个类载入器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也成它为系统类载入器。它负责载入用户类路径上指定的类库，开发人员能够直接使用这个类载入器。假设应用程序中没有自己定义过自己的类载入器。普通情况下这个就是程序中默认的类载入器。

??AppClassLoader的parent是ExtClassLoader。

非常多文章在介绍ClassLoader层次的结构时把Bootstrap ClassLoader也列在ExtClassLoader的上一级中。事实上Bootstrap ClassLoader并不属于JVM的类等级层次。因为Bootstrap ClassLoader没有遵守ClassLoader的载入股则。另外Bootstrap ClassLoader没有子类，ExtClassLoader的父类也不是Bootstrap ClassLoader，ExtClassLoader并没有父类，我们在应用中能提取到的顶层父类是ExtClassLoader.
代码举例：

        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        System.out.println(cl.toString());
        System.out.println(cl.getParent());
        System.out.println(cl.getParent().getParent());

??输出结果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@7dd74c03
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@41bf9980
null

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怎样获得ClassLoader

1. this.getClass().getClassLoader();//使用当前类的ClassLoader
2. Thread.currentThread().getContextClassLoader();//使用当前线程的ClassLoader
3. ClassLoader.getSystemClassLoader();//使用系统ClassLoader

??代码举例：

    public void test()
    {
        System.out.println(this.getClass().getClassLoader().toString());
        System.out.println(Thread.currentThread().getContextClassLoader());
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader());
    }

??输出：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@41bf9980
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@41bf9980
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@41bf9980

[Tips]怎样获得类的class属性：
1. Class.forName(类路径全名)；
2. this.getClass();
3. 使用.class，比方String.class
4. 对于基本数据类型有：Class c1 = int.class(class仅仅是约定标记。不是成员属性) 或者Class c2 = Integer.TYPE

??JVM载入class文件到内存有两种方式：
??1. 隐式载入：所谓的隐式载入就是不通过在代码里调用ClassLoader来记载须要的类。而是通过JVM来自己主动载入须要的类到内存的方式。

比如，当我们在类中集成或者引用某个类是，JVM在解析当前这个类时发现引用的类不在内存中，那么就会自己主动将这些类载入到内存中。
??2. 显示载入：相反的显示载入就是我们在代码中通过调用ClassLoader类来载入一个类的方式，比如，调用this.getClass.getClassLoader().loadClass()或者Class.forName()。或者我们自己实现的ClassLoader的findClass()方法等。

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双亲委派模型

??双亲委派模型要求畜类鼎城的启动类载入器（Bootstrap ClassLoader）之外。其余的类载入器都应当有自己的父类载入器。这里类载入器之间的父子关系一般不会以inheritance的关系实现而是都是使用组合Composition关系来复用父类载入器的代码。

??双亲委派模型不是一个强制性的约束模型，而是java设计者推荐给开发人员的一种类载入器实现方式。在java的世界中大部分的类载入器都遵循这个模型，但也有例外。到眼下为止。双亲委派模型主要出现过3此较大的“被破坏”情况，这个稍后再阐述。

??双亲委派模型的工作过程是：假设一个类载入器收到了类载入的请求，它首先不会自己去尝试载入这个类，而是把这个请求委派给父类载入器去完毕，每个层次的类载入器都是如此。因此全部的载入请求终于都应该传送到顶层的启动类载入器中。仅仅有当父载入器反馈自己无法完毕这个载入请求（它搜索范围中没有找到所需的类）时，子载入器才会尝试自己去载入。
??双亲托付机制的作用是防止系统jar包被本地替换，因为查找方法过程都是从最底层開始查找。 因此，一般我们自己定义的classloader都须要採用这样的机制，我们仅仅须要继承java.lang.ClassLoader实现findclass就可以，假设须要很多其它控制，自己定义的classloader就须要重写loadClass方法了，比方tomcat的载入过程，这个比較复杂。能够通过其它文档资料查看相关介绍。
??双亲委派模型对于保证java程序的稳定运作非常重要，实现体如今java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中。例如以下：

protected Class<?
> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    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();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

??loadClass()方法的载入步骤为：
??1. 调用 Class c = findLoadedClass(name);来检查是否已经载入类；
??2. 在父类载入器上调用loadClass方法：
???c = parent.loadClass(name, false);
??假设父类载入器为null,则使用虚拟机的内置类载入器：
???c = findBootstrapClassOrNull(name);
??3. 在父类载入器无法载入的时候再调用本身的findClass方法来进行类载入：
???c = findClass(name);

每个ClassLoader载入Class的过程是：
1.检測此Class是否载入过（即在cache中是否有此Class），假设有到8,假设没有到2;
2.假设parent classloader不存在（没有parent。那parent一定是bootstrap classloader了），到4;
3.请求parent classloader载入。假设成功到8，不成功到5;
4.请求jvm从bootstrap classloader中载入。假设成功到8;
5.寻找Class文件（从与此classloader相关的类路径中寻找）。假设找不到则到7;
6.从文件里载入Class。到8;
7.抛出ClassNotFoundException;
8.返回Class.

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破坏双亲委派模型

??上文提到了到眼下为止，双亲委派模型出现过3次较大规模的“被破坏”的情况，这里详细阐述一下。
??第一次。

发生在双亲委派模型出现之前（jdk1.2公布之前）。因为双亲委派模型在jdk1.2之后才被引入。而类载入器和抽象类java.lang.ClassLoader则在jdk1.0时代就已经存在，面对已经存在的用户自己定义类载入器的实现代码，java设计者引入双亲委派模型时不得不做出了一些妥协。

历史已经成为过去，详细的在此不赘述。须要注意的是jdk1.2之后不提倡用户再去覆盖loadClass()方法，而应当把自己的类载入逻辑写到findClass()中，这样保证符合双亲委派模型的规则。
??第二次。

由模型本身的缺陷所导致的，双亲委派模型非常好地攻克了各个类载入器的基础类的统一问题。当父类载入器须要请求子类载入器去完毕类载入动作，比方JNDI服务：它的代码由启动类载入器去载入。但JNDI的目的是对资源进行集中管理和查找。它须要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的Classpath下的JNDI提供者（SPI）的代码，可是启动类载入器不“认识”这些代码。

这是就要用到了线程上下文载入器（Thread Context ClassLoader）。这个类载入器能够通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader()方法进行设置。
??这里怎么又出来一个context classloader呢？它有什么用呢？我们在建立一个线程Thread的时候，能够为这个线程通过setContextClassLoader方法来指定一个合适的classloader作为这个线程的context classloader，当此线程执行的时候，我们能够通过getContextClassLoader方法来获得此context classloader，就能够用它来载入我们所须要的Class。

默认的是system classloader。利用这个特性，我们能够“打破”classloader托付机制了。父classloader能够获得当前线程的context classloader。而这个context classloader能够是它的子classloader或者其它的classloader，那么父classloader就能够从其获得所需的 Class，这就打破了仅仅能向父classloader请求的限制了。这个机制能够满足当我们的classpath是在执行时才确定,并由定制的 classloader载入的时候,由system classloader(即在jvm classpath中)载入的class能够通过context classloader获得定制的classloader并载入入特定的class(一般是抽象类和接口,定制的classloader中是事实上现),比如web应用中的servlet就是用这样的机制载入的.
??第三次。

因为用户对程序动态性的追求而导致的，这里所说的“动态性”指的是当前一些非常“热门”的名称：代码热替换、模块热部署等，相似于鼠标键盘热拔插。

详细的能够看一下OSGi。在OSGi环境下。类载入器不再是双亲委派模型中的树型结构，而是一种网状结构。详细的能够翻阅一些相关资料。