JVM学习（二）类加载器

2018-08-02 本文已影响7人 J先生有点儿屁

一、类加载器

还记得类加载机制吗？类加载机制的各阶段是加载、连接（验证、准备、解析）、初始化、使用、卸载。可参考上篇文章：JVM学习（一）：Java类的加载机制里有详细说明。

1. 什么是类加载器？

把类加载阶段中的"通过一个类的全限定名来获取描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如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

2. 类与类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中祈祷的作用却远远不限于类加载阶段。
对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立啊Java虚拟机中的唯一性。每一个类加载器都拥有一个独立的类名称空间。
比较两个类是否“相等“，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才由意义；否则，即使两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载他们的类加载器不同，那么这两个类就必定不相等。
（这里指的“相等”，包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括关键字instanceof做对象所属关系判定情况。）

代码演示：

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ClassLoader loader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    String fileName = name.lastIndexOf("." + 1) + ".class";
                    InputStream inputStream = this.getClass().getResourceAsStream(fileName);
                    if (inputStream == null) {
                        return super.loadClass(name);
                    }
                    byte[] bytes = new byte[inputStream.available()];
                    inputStream.read(bytes);
                    return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                    throw new ClassNotFoundException(name);
                }
            }
        };

        Object obj = loader.loadClass("com.jx.Test1").newInstance();
        System.out.println(obj.getClass()); // 打印类名称
        System.out.println(obj instanceof com.jx.Test1); // 打印 比较obj对象是否是com.jx.Test1类
    }
}

运行结果：
```
  class com.jx.Test1
  false
```

从示例代码Object obj = loader.loadClass("com.jx.Test1").newInstance(); System.out.println(obj.getClass());打印结果是com.jx.Test1，说明通过自定义的类加载器加载并实例的对象确实是Tes1的类；
但代码System.out.println(obj instanceof com.jx.Test1);运行输出的结果是false，这是因为在JVM虚拟机中存在另外一个类加载器加载了。
虽然都是来自同一个Class文件，但因为是两个独立的类加载器加载出来的类，在做对象所属类型检测时结果是false。

二、类加载器分类

类加载器

类加载器可以分为：
- 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)
- 扩展类加载器(Extension ClassLoader)
- 应用程序类加载器(Application ClassLoader)
- 自定义类加载器(USer ClassLoader)
他们的关系是：
自定义类加载器的父类是应用程序类加载器；
应用程序类加载器的父类是扩展类加载器；
启动类加载器严格意义上不是扩展类加载器的父类，抽象维度可以理解为父类。

1. 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader) 是最顶层的类加载器，主要加载核心类库。

加载路径\jdk\jre\lib下的rt.jar、resource.jar、charsets.jar和class等。
启动类架子啊其是无法被Java程序直接引用的。
Bootstrap ClassLoader不继承自ClassLoader，因为它不是一个普通的Java类，底层是由C++编写嵌入到JVM内核中；
当JVM启动后 Bootstrap ClassLoader也随着启动，赋值加载完核心类库后，并构造Extension ClassLoader和Application ClassLoader。
如图：
启动类加载器加载路径
另外，可以通过启动JVM时指定-Xbootclasspath路径来改变Bootstrap ClassLoader的加载目录。

2. 扩展类加载器(Extension ClassLoader)

扩展类加载器(Extension ClassLoader)：这个类加载器由sun.misc.Luancher&ExtClassLoader实现。

负责加载\jre\lib\ext目录下的jar包和class文件.
或者由java.ext.dirs系统变量指定路径中的所有类库（如javax.开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
如图：
扩展类加载器加载路径

3. 应用程序类加载器(Application ClassLoader)

应用程序类加载器(Application ClassLoader)：是由sun.misc.Launcher&ApplicationClassLoaer实现。

Application ClassLoader是负责加载用户类路径上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序没有自定义过自己的类加载器，一般情况下就是程序默认的类加载器。

4. 自定义类加载器(User ClassLoader)

**自定义类加载器(User ClassLoader)
**：一般是继承ClassLoader，重写findClass方法。
因为JVM自带的ClassLoader只会从本地文件系统加载标准的Java class文件，因此编写自定义类加载器可以做到：

1. 在执行非自信代码之前，自动验证数字签名。
1. 动态地创建符合用户特定需要的定制化构建类。
1. 从特定的场所取得Java class，例如数据库和网络中。

5. 类加载器体系结构（双亲委派模型）

类加载器体系结构

关于类加载器的加载过程：

1. 称为缓存查找环节。第一步是先检查类加载器中是否已经缓存加载了对应的类。其中又分为：
- ① 若存在自定义类加载器，则先检查自身缓存中是否存在；如果存在则取到。
- ② 如果自定义缓存不存在，委托父类查找，也就是应用程序类加载器。
  应用程序类加载器同样也先检查缓存中是否存在，如果存在则取到。
- ③ 如果应用缓存不存在，则委托它的父类，既是扩展类加载器。
  扩展类加载器同样也会先检查缓存中是否存在，如果存在则取到。
- ④ 如果扩展类加载器缓存也不存在，则调用启动类加载器查找。
  启动类加载器也是先检查是否已经加载，如果加载，则取到。如果未加载，则进入加载环节。
1. 加载环节。第二步，在所有类加载器通过缓存都找不到时，则进入类加载环节。类加载环节可分为：
- ① 启动类加载器。启动类加载器在缓存找不到后，会根据它的路径范围jre\lib\rt.jar查找加载对应类。如果成功加载，则返回；如果不成功，则进入②。
- ② 扩展类加载器。扩展类加载器在收到启动类加载器未成功的情况下，会根据它的路径访问jre\lib\ext\*.jar查找加载对应类。如果成功加载，则返回；如果不成功，则进入③。
- ③ 应用程序类加载器。应用程序类加载器收到扩展类加载器不成功的情况下，会根据它的路劲访问ClassPath查找加载对应的类。如果成功加载，则返回；如果不成功，则进入④。
- ④ 自定义类加载器。如果应用程序类加载器在收到应用程序类加载器不成功的情况下，会根据它自定义的路径访问查找加载对应的类。如果成功加载，则返回；如果不从，则抛出ClassNotFoundExcepiton异常。

上面的流程又可以称为是双亲委派模型。

双亲委派模型

双亲委派模型流程

双亲委派模型加载流程

6. 类的加载方式

类的加载方式有三种：

1. 命令行启动应用的时候由JVM初始化加载。
  用一张图即可说明。请见下图：
  
  main方法JVM配置

通过Class.forName()方法动态加载。

① 我们先看测试示例代码：

public class TestClassLoader {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class.forName("com.jx.Test1");//直接通过Class.forName()来加载类
    }
}

② 接着跟进去查看Class.for()方法的实现。

public static Class<?> forName(String className)
            throws ClassNotFoundException {
    Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
    return forName0(className, true, ClassLoader.getClassLoader(caller), caller); // 这里会调用ClassLoader.getClassLoader()方法获得该类的类加载器对象
}

③ 再跟进forName0()方法，是一个native方法。

    private static native Class<?> forName0(String name, boolean initialize,
                                        ClassLoader loader,
                                        Class<?> caller)
    throws ClassNotFoundException;

④ 上面的native forName0()方法会调用类加载器的ClassLoader.loadclass()方法。
Class.forName()方法调用栈

通过上面调用栈会发现Class.forName()方法本质上最后会调用ClassLoader.loadClass()方法。

通过ClassLoader.loadClass()方法动态加载。
直接上ClassLoader.loadClass()方法代码，代码的注释已经说明了很清楚了。

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    return loadClass(name, false);
}

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) //resolve字段表示是否进行【连接】阶段处理
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // First, check if the class has already been loaded
        // 首先，判断该类是否已经加载过了。
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) { //如果父类存在
                    // 如果未加载过，则委派给父类进行加载。
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 如果父类不存在，则交给BootstrapClassLoader来加载。 什么时候父类不存在呢？其实就是ExtClassLoader不存在父类的情况。
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
                // 如果父类通过缓存+加载都无法找到，并抛出ClassNotFoundException异常时，则捕获异常但不处理。
            }

            if (c == null) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.                   
                long t1 = System.nanoTime();
                // 如果委托的父类们都无法找到该类，则本加载器自己亲自动手去查找。
                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;
    }
}

代码中有几个关键调用需要注意：

① Class<?> c = findLoadedClass(name)通过缓存查找判断是否存在该类。
进一步查看该方法实现，又调用了native findLoadedClass0方法。

protected final Class<?> findLoadedClass(String name) {
    if (!checkName(name))
        return null;
    return findLoadedClass0(name);
}

private native final Class<?> findLoadedClass0(String name);

② 当parent != null时，c = parent.loadClass(name, false);。如果父类不为空，则委派给父类的loadClass()方法执行。
当 parent == null是，c = findBootstrapClassOrNull(name);父类如果为空时，则委派给BootstrapClassLoader来查找。
这里就是双亲委派模型出现了。
③ 当在经过父类们缓存查找和加载后，仍然未找到该类，则本加载器会亲自进行查找c = findClass(name);。这个方法很关键。
```
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
```
通常情况下，我们自定义的用户类加载器通过继承ClassLoader抽象类后，重写findClass()方法是比较的靠谱的。

到这里已经把双亲委派模型讲解了，还顺带讲解了自定义类加载器。

三、ClassLoader代码解读-双亲委派模型

通过上面的《通过ClassLoader.loadClass()方法动态加载》已经将双亲委派模型已经详细讲解了。
部分补充请查看：
JVM学习（二）续1-ClassLoader代码解读-双亲委派模型

四、自定义类加载器详解

请参考另外一篇文章中有详细讲解。
JVM学习（二）续2-自定义类加载器详解