Java ClassLoader

Posted 2021-01-27 shiyuan310

以前确实没关注过这个知识点，现在复习的时候，好多文章都提到了类加载过程。并且在讲解反射知识点的时候肯定会提到ClassLoader。今天总结回顾下：

JAVA类装载方式，有两种:

1.隐式装载， 程序在运行过程中当碰到通过new 等方式生成对象时，隐式调用类装载器加载对应的类到jvm中。

2.显式装载， 通过class.forname()等方法，显式加载需要的类

 类加载的动态性体现:

 一个应用程序总是由n多个类组成，Java程序启动时，并不是一次把所有的类全部加载后再运行，它总是先把保证程序运行的基础类一次性加载到jvm中，其它类等到jvm用到的时候再加载，这样的好处是节省了内存的开销，因为java最早就是为嵌入式系统而设计的，内存宝贵，这是一种可以理解的机制，而用到时再加载这也是java动态性的一种体现

  java类装载器

  JDK 默认提供了如下几种ClassLoader

1. Bootstrp loader
   Bootstrp加载器是用C++语言写的，它是在Java虚拟机启动后初始化的，它主要负责加载%JAVA_HOME%/jre/lib,-Xbootclasspath参数指定的路径以及%JAVA_HOME%/jre/classes中的类。

2. ExtClassLoader  
   

   Bootstrp loader加载ExtClassLoader,并且将ExtClassLoader的父加载器设置为Bootstrp loader.ExtClassLoader是用Java写的，具体来说就是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader，ExtClassLoader主要加载%JAVA_HOME%/jre/lib/ext，此路径下的所有classes目录以及java.ext.dirs系统变量指定的路径中类库。

3. AppClassLoader 
   

   Bootstrp loader加载完ExtClassLoader后，就会加载AppClassLoader,并且将AppClassLoader的父加载器指定为 ExtClassLoader。AppClassLoader也是用Java写成的，它的实现类是 sun.misc.Launcher$AppClassLoader，另外我们知道ClassLoader中有个getSystemClassLoader方法,此方法返回的正是AppclassLoader.AppClassLoader主要负责加载classpath所指定的位置的类或者是jar文档，它也是Java程序默认的类加载器。

综上所述，它们之间的关系可以通过下图形象的描述：

为什么要有三个类加载器，一方面是分工，各自负责各自的区块，另一方面为了实现委托模型。

 类加载器之间是如何协调工作的

前面说了，java中有三个类加载器，问题就来了，碰到一个类需要加载时，它们之间是如何协调工作的，即java是如何区分一个类该由哪个类加载器来完成呢。 在这里java采用了委托模型机制，这个机制简单来讲，就是“类装载器有载入类的需求时，会先请示其Parent使用其搜索路径帮忙载入，如果Parent 找不到,那么才由自己依照自己的搜索路径搜索类”

下面举一个例子来说明，为了更好的理解，先弄清楚几行代码：

 1 package lesson1214;
 2 
 3 public class TestClassLoader {
 4 
 5     public static void main(String[] args) {
 6         
 7         ClassLoader c1 = TestClassLoader.class.getClassLoader();
 8         
 9         System.out.println(c1);
10         
11         ClassLoader c2 = c1.getParent();
12         
13         System.out.println(c2);
14         
15         ClassLoader c3 = c2.getParent();
16         
17         System.out.println(c3);
18     }
19 
20 }

运行结果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@43794494
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4e857327
null

可以看出Test是由AppClassLoader加载器加载的，AppClassLoader的Parent 加载器是 ExtClassLoader,但是ExtClassLoader的Parent为 null 是怎么回事呵，朋友们留意的话，前面有提到Bootstrap Loader是用C++语言写的，依java的观点来看，逻辑上并不存在Bootstrap Loader的类实体，所以在java程序代码里试图打印出其内容时，我们就会看到输出为null。int.class是由Bootstrap ClassLoader加载的

 

类装载器ClassLoader（一个抽象类）描述一下JVM加载class文件的原理机制

类装载器就是寻找类或接口字节码文件进行解析并构造JVM内部对象表示的组件，在java中类装载器把一个类装入JVM，经过以下步骤：

1、装载：查找和导入Class文件

2、链接：其中解析步骤是可以选择的 （a）检查：检查载入的class文件数据的正确性

                                                         （b）准备：给类的静态变量分配存储空间

                                                         （c）解析：将符号引用转成直接引用

3、初始化：对静态变量，静态代码块执行初始化工作

类装载工作由ClassLoder和其子类负责。JVM在运行时会产生三个ClassLoader：根装载器，ExtClassLoader(扩展类装载器)和AppClassLoader，其中根装载器不是ClassLoader的子类，由C++编写，因此在java中看不到他，负责装载JRE的核心类库，如JRE目录下的rt.jar,charsets.jar等。ExtClassLoader是ClassLoder的子类，负责装载JRE扩展目录ext下的jar类包；AppClassLoader负责装载classpath路径下的类包，这三个类装载器存在父子层级关系****，即根装载器是ExtClassLoader的父装载器，ExtClassLoader是AppClassLoader的父装载器。默认情况下使用AppClassLoader装载应用程序的类。

Java装载类使用“全盘负责委托机制”。“全盘负责”是指当一个ClassLoder装载一个类时，除非显示的使用另外一个ClassLoder，该类所依赖及引用的类也由这个ClassLoder载入；“委托机制”是指先委托父类装载器寻找目标类，只有在找不到的情况下才从自己的类路径中查找并装载目标类。这一点是从安全方面考虑的，试想如果一个人写了一个恶意的基础类（如java.lang.String）并加载到JVM将会引起严重的后果，但有了全盘负责制，java.lang.String永远是由根装载器来装载，避免以上情况发生 除了JVM默认的三个ClassLoder以外，第三方可以编写自己的类装载器，以实现一些特殊的需求。类文件被装载解析后，在JVM中都有一个对应的java.lang.Class对象，提供了类结构信息的描述。数组，枚举及基本数据类型，甚至void都拥有对应的Class对象。Class类没有public的构造方法，Class对象是在装载类时由JVM通过调用类装载器中的defineClass()方法自动构造的。

为什么要使用这种双亲委托模式呢？

因为这样可以避免重复加载，当父亲已经加载了该类的时候，就没有必要子ClassLoader再加载一次。

考虑到安全因素，我们试想一下，如果不使用这种委托模式，那我们就可以随时使用自定义的String来动态替代java核心api中定义类型，这样会存在非常大的安全隐患，而双亲委托的方式，就可以避免这种情况，因为String已经在启动时被加载，所以用户自定义类是无法加载一个自定义的ClassLoader。

思考：假如我们自己写了一个java.lang.String的类，我们是否可以替换调JDK本身的类？

答案是否定的。我们不能实现。为什么呢？我看很多网上解释是说双亲委托机制解决这个问题，其实不是非常的准确。因为双亲委托机制是可以打破的，你完全可以自己写一个classLoader来加载自己写的java.lang.String类，但是你会发现也不会加载成功，具体就是因为针对java.*开头的类，jvm的实现中已经保证了必须由bootstrp来加载。

 

Class文件的认识

我们都知道在Java中程序是运行在虚拟机中，我们平常用文本编辑器或者是IDE编写的程序都是.java格式的文件，这是最基础的源码，但这类文件是不能直接运行的。我们都需要将其进行编译，生成.class文件才可以在JVM上运行。class文件是字节码格式文件，java虚拟机并不能直接识别我们平常编写的.java源文件，所以需要javac这个命令转换成.class文件。

了解了.class文件后，我们再来思考下，我们平常在Eclipse中编写的java程序是如何运行的，也就是我们自己编写的各种类是如何被加载到jvm(java虚拟机)中去的。

因为我是在Windows下编程的，所以只讲Window平台上的环境变量，主要有3个：JAVA_HOME、PATH、CLASSPATH。
JAVA_HOME：指的是你JDK安装的位置，一般默认安装在C盘，如
C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_911

PATH：将程序路径包含在PATH当中后，在命令行窗口就可以直接键入它的名字了，而不再需要键入它的全路径,比如上面代码中我用的到javac和java两个命令。
PATH=%JAVA_HOME%\\bin;%JAVA_HOME%\\jre\\bin;%PATH%;也就是在原来的PATH路径上添加JDK目录下的bin目录和jre目录的bin.

CLASSPATH， 这个ClassLoader的时候会用到
CLASSPATH=.;%JAVA_HOME%\\lib;%JAVA_HOME%\\lib\\tools.jar

父加载器不是父类

我们先前已经粘贴了ExtClassLoader和AppClassLoader的代码。

static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {}
static class AppClassLoader extends URLClassLoader {}
可以看见ExtClassLoader和AppClassLoader同样继承自URLClassLoader，但上面一小节代码中，为什么调用AppClassLoader的getParent()代码会得到ExtClassLoader的实例呢？先从URLClassLoader说起，这个类又是什么？
先上一张类的继承关系图 

详细code分析可以看帖子：https://blog.csdn.net/briblue/article/details/54973413

上面张贴这么多代码也是为了说明AppClassLoader的parent是ExtClassLoader，ExtClassLoader的parent是null。这符合我们之前编写的测试代码。

Bootstrap ClassLoader是由C/C++编写的，它本身是虚拟机的一部分，所以它并不是一个JAVA类，也就是无法在java代码中获取它的引用，JVM启动时通过Bootstrap类加载器加载rt.jar等核心jar包中的class文件，之前的int.class,String.class都是由它加载。然后呢，我们前面已经分析了，JVM初始化sun.misc.Launcher并创建Extension ClassLoader和AppClassLoader实例。并将ExtClassLoader设置为AppClassLoader的父加载器。Bootstrap没有父加载器，但是它却可以作用一个ClassLoader的父加载器。比如ExtClassLoader。这也可以解释之前通过ExtClassLoader的getParent方法获取为Null的现象。具体是什么原因，很快就知道答案了。

双亲委托。

我们终于来到了这一步了。一个类加载器查找class和resource时，是通过“委托模式”进行的，它首先判断这个class是不是已经加载成功，如果没有的话它并不是自己进行查找，而是先通过父加载器，然后递归下去，直到Bootstrap ClassLoader，如果Bootstrap classloader找到了，直接返回，如果没有找到，则一级一级返回，最后到达自身去查找这些对象。这种机制就叫做双亲委托。

用序列描述一下：
1. 一个AppClassLoader查找资源时，先看看缓存是否有，缓存有从缓存中获取，否则委托给父加载器。
2. 递归，重复第1部的操作。
3. 如果ExtClassLoader也没有加载过，则由Bootstrap ClassLoader出面，它首先查找缓存，如果没有找到的话，就去找自己的规定的路径下，也就是sun.mic.boot.class下面的路径。找到就返回，没有找到，让子加载器自己去找。
4. Bootstrap ClassLoader如果没有查找成功，则ExtClassLoader自己在java.ext.dirs路径中去查找，查找成功就返回，查找不成功，再向下让子加载器找。
5. ExtClassLoader查找不成功，AppClassLoader就自己查找，在java.class.path路径下查找。找到就返回。如果没有找到就让子类找，如果没有子类会怎么样？抛出各种异常。

上面的序列，详细说明了双亲委托的加载流程。我们可以发现委托是从下向上，然后具体查找过程却是自上至下。
关于里面介绍的自定义ClassLoader没有关注，后面回给补上。

 

转载帖子：

http://www.cnblogs.com/doit8791/p/5820037.html

 https://blog.csdn.net/briblue/article/details/54973413