Java类加载器(一)——类加载器层次与模型- JAVA

欢迎支持笔者新作：《深入理解Kafka:核心设计与实践原理》和《RabbitMQ实战指南》，同时欢迎关注笔者的微信公众号：朱小厮的博客。

欢迎跳转到本文的原文链接：https://honeypps.com/java/java-class-loading-1/

类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的“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”。

类加载器层次（等级）

从JVM的角度来讲，只存在两种不同的类加载器。
第一类是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这个类加载器主要加载JVM自身工作需要的类。这个类加载器由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目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类加载到虚拟机内存中。
另一类就是所有其他的类加载器，这些加载器都是由java实现，独立于虚拟机外部。
Extension ClassLoader：这个类即在其有sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载%JAVA_HOME%\lib\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
Application ClassLoader：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也成它为系统类加载器。它负责加载用户类路径上指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。
AppClassLoader的parent是ExtClassLoader。很多文章在介绍ClassLoader层次的结构时把Bootstrap ClassLoader也列在ExtClassLoader的上一级中，其实Bootstrap ClassLoader并不属于JVM的类等级层次，因为Bootstrap ClassLoader没有遵守ClassLoader的加载股则。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
1
2
3

如何获得ClassLoader

this.getClass().getClassLoader();//使用当前类的ClassLoader
Thread.currentThread().getContextClassLoader();//使用当前线程的ClassLoader
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());
    }
56

输出：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@41bf9980
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@41bf9980
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@41bf9980
1
2
3

[Tips]如何获得类的class属性：

Class.forName(类路径全名)；
this.getClass();
使用.class，比如String.class
对于基本数据类型有：Class c1 = int.class(class只是约定标记，不是成员属性) 或者Class c2 = Integer.TYPE

JVM加载class文件到内存有两种方式：
1. 隐式加载：所谓的隐式加载就是不通过在代码里调用ClassLoader来记载需要的类，而是通过JVM来自动加载需要的类到内存的方式。例如，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，那么就会自动将这些类加载到内存中。
2. 显示加载：相反的显示加载就是我们在代码中通过调用ClassLoader类来加载一个类的方式，例如，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。

双亲委派模型

双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）之外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里类加载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关系来复用父类加载器的代码。
双亲委派模型不是一个强制性的约束模型，而是java设计者推荐给开发者的一种类加载器实现方式。在java的世界中大部分的类加载器都遵循这个模型，但也有例外，到目前为止，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：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。
双亲委托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开始查找。因此，一般我们自定义的classloader都需要采用这种机制，我们只需要继承java.lang.ClassLoader实现findclass即可，如果需要更多控制，自定义的classloader就需要重写loadClass方法了，比如tomcat的加载过程，这个比较复杂，可以通过其他文档资料查看相关介绍。
双亲委派模型对于保证java程序的稳定运作很重要，实现体现在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中，如下：

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;
        }
    }
56
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37

loadClass()方法的加载步骤为：
1. 调用 Class c = findLoadedClass(name);来检查是否已经加载类；
2. 在父类加载器上调用loadClass方法：
c = parent.loadClass(name, false);
如果父类加载器为null,则使用虚拟机的内置类加载器：
c = findBootstrapClassOrNull(name);
3. 在父类加载器无法加载的时候再调用本身的findClass方法来进行类加载：
c = findClass(name);

每个ClassLoader加载Class的过程是：
1.检测此Class是否载入过（即在cache中是否有此Class），如果有到8,如果没有到2;
2.如果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，如果成功到8，不成功到5;
4.请求jvm从bootstrap classloader中载入，如果成功到8;
5.寻找Class文件（从与此classloader相关的类路径中寻找）。如果找不到则到7;
6.从文件中载入Class，到8;
7.抛出ClassNotFoundException;
8.返回Class.

破坏双亲委派模型

上文提到了到目前为止，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发布之前）。由于双亲委派模型在jdk1.2之后才被引入，而类加载器和抽象类java.lang.ClassLoader则在jdk1.0时代就已经存在，面对已经存在的用户自定义类加载器的实现代码，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，具体的在此不赘述，需要注意的是jdk1.2之后不提倡用户再去覆盖loadClass()方法，而应当把自己的类加载逻辑写到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，双亲委派模型很好地解决了各个类加载器的基础类的统一问题。当父类加载器需要请求子类加载器去完成类加载动作，比如JNDI服务：它的代码由启动类加载器去加载，但JNDI的目的是对资源进行集中管理和查找，它需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，但是启动类加载器不“认识”这些代码。这是就要用到了线程上下文加载器（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过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，可以为这个线程通过setContextClassLoader方法来指定一个合适的classloader作为这个线程的context classloader，当此线程运行的时候，我们可以通过getContextClassLoader方法来获得此context classloader，就可以用它来载入我们所需要的Class。默认的是system classloader。利用这个特性，我们可以“打破”classloader委托机制了，父classloader可以获得当前线程的context classloader，而这个context classloader可以是它的子classloader或者其他的classloader，那么父classloader就可以从其获得所需的 Class，这就打破了只能向父classloader请求的限制了。这个机制可以满足当我们的classpath是在运行时才确定,并由定制的 classloader加载的时候,由system classloader(即在jvm classpath中)加载的class可以通过context classloader获得定制的classloader并加载入特定的class(通常是抽象类和接口,定制的classloader中是其实现),例如web应用中的servlet就是用这种机制加载的.
第三次。由于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，类似于鼠标键盘热拔插。具体的可以看一下OSGi，在OSGi环境下，类加载器不再是双亲委派模型中的树型结构，而是一种网状结构。具体的可以翻阅一些相关资料。