JVM 系列 ClassLoader

Posted 2020-11-21 binarylei

JVM 系列（）ClassLoader

在前面一节中，主要介绍了 Class 的装载过程，Class 的装载大体上可以分为加载类、连接类和初始化 3 个阶段。本小节将主要介绍绍 Java 语言中的 ClassLoader，类装载器。它主要工作在 Class 装载的加载阶段从系统外部获得 Class 二进制数据流。

一、ClassLoader

ClassLoader 是 Java 的核心组件，所有的 Class 都是由 ClassLoader 进行加载的， ClassLoader 负责通过各种方式将 Class 信息的二进制数据流读入系统，然然后交给 Java 虚拟机进行连接、初始化等操作。因此， Classloader在整个装载阶段，只能影响到类的加载，而无法通过 ClassLoader 去改变类的连接和初始化行为。

从代码层面看， ClassLoader 是一个抽象类，它提供了一些重要的接口，用于自定义 Class 的加载流程和加载方式。 Classloader 的主要方法如下

private final ClassLoader parent;

/**
 * 给定一个类名，加载一个类，返回代表这个类的 Class 实例，如果找不到类，则返回 ClassNotFoundException 异常
 */
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
}

/**
 * 将二进制字节码流解析为 Class 实例
 */
protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
        throws ClassFormatError {
    return defineClass(name, b, off, len, null);
}

/**
 * 查找一个类，这是一个受保护的方法，也是重载 ClassLoader 时，重要的系统扩展点。
 * 这个方法会在 loadClass() 时被调用，用于自定义查找类的逻辑。
 */
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
}

/**
 * 寻找已经加载的类
 */
protected final Class<?> findLoadedClass(String name) {
    if (!checkName(name))
        return null;
    return findLoadedClass0(name);
}

在 ClassLoader 的结构中，还有一个重要的字段 parent，它也是一个 ClassLoader 的实例，这个字段所表示的 ClassLoader 也称为这个 ClassLoader 的双亲。在类加载的过程中， ClassLoader 可能会将某些请求交予自己的双亲处理。

二、ClassLoader 分类

在标准的 Java 程序中，Java 虚拟机会创建 3 类 ClassLoader 为整个应用程序服务。 它们分别是: BootstrapClassLoader(启动类加载器)、 ExtensionClassLoader(扩展类加载器)和 AppClassLoader(应用类加载器，也称为系统类加载器)。 此外，每一个应用程序还可以拥有自定义的 ClassLoader，扩展 Java 虚拟机获取 Class 数据的能力。

• BootstrapClassLoader 加载 rt.jar
• ExtensionClassLoader 加载 $JAVA_HOME/lib/ext/*.jar
• AppClassLoader 加载 classpath 下的 *.jar

各个 ClassLoader 的层次自顶往下为启动类加载器、扩展类加载器、应用类加载器和自定义类加载器。其中，应用类加载器的双亲为扩展类加载器，扩展类加载器的双亲为启动类加载器。当系统需要使用一个类时，在判断类是否已经被加载时，会从当前底层类加载器进行判断。当系统需要加载一个类时，会从顶层类开始加载，依次向下尝试，直到到成功。

在这些些 ClassLoader 中，启动类加载器最为特别，它是完全由 C 代码实现的，并且在 Java 中没有对象与之对应。系统的核心类就是由启动类加载器进行加载的，它也是虚拟机的核心组件。扩展类加载器和应用类加载器都有对应的 Java 对象可供使用。

// 输出全部的类加载器
public class PrintClassLoaderTree {

    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader classLoader = PrintClassLoaderTree.class.getClassLoader();
        while (classLoader != null) {
            System.out.println(classLoader);
            classLoader = classLoader.getParent();
        }
    }
}

结果如下：

[email protected]
[email protected]

三、ClassLoader 的双亲委托模式

系统中的 ClassLoader 在协协同工作时，默认会使用双亲委托模式。即在类加载的时候，系统会判断当前类是否已经被加载，如果已经被加载，就会直接返回可用的类，否则就会尝试加载，在尝试加载时，会先请求双亲处理，如如果双亲请求失败，则会自己加载。

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);     // (1)
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {           // (2)
                    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);        // (3)

                // 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;
    }
}

(1) 当前 ClassLoader 试图查找该类是否已经被加载，如果已经被加载则直接返回。

(2) 如果没有被加载，则会请求其双亲加载(不是自己加载)，如果双亲为 null 时，则使用启动类加载器加载。

(3) 如果双亲加载不成功，则由当前 ClassLoader 尝试加载。

参考：

本文转载至《实战JAVA虚拟机 JVM故障诊断与性能优化》

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