【Java虚拟机3】类加载器

前言

Java虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流”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的类。

所以在整个类加载阶段，类加载器的作用就只是在第一步“加载”阶段。

今天就简单记录下类加载器的基本知识。（本文的讨论都是基于JDK8之前的版本，JDK9之后模块化技术出现后有一些小的调整，但未改变主体结构）

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程序中起到的作用却远超类加载阶段。对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在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。

这句话可以表达得更通俗一些：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有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个Java虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

这里所指的“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，也包括了使用instanceof关键字做对象所属关系判定等各种情况。

类加载器的模型

站在Java虚拟机的角度来看，只存在两种不同的类加载器：

1. 一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现[插图]，是虚拟机自身的一部分；
2. 另外一种就是其他所有的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立存在于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

站在Java开发人员的角度来看，类加载器就应当划分得更细致一些，如下图。

• 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：这个类加载器负责加载存放在<JAVA_HOME>\lib目录，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的，而且是Java虚拟机能够识别的（按照文件名识别，如rt.jar、tools.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机的内存中。
  
  启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器去处理，那直接使用null代替即可。
• 扩展类加载器（Extension Class Loader）：这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader中以Java代码的形式实现的。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所有的类库。
  
  我们可以通过System.getProperty("java.ext.dirs")获取到java.ext.dirs系统变量所指定的路径。
  
  Notes:扩展类加载器只能加载这两路径下面的jar包中的字节码，而不能直接加载class文件。
• 应用程序类加载器（Application Class Loader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以有些场合中也称它为“系统类加载器”。
  
  它负责加载用户类路径（ClassPath）上所有的类库，开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。
  
  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。

HotSpot中各ClassLoader的Class对象是被谁加载的？

1. 启动类加载器是在JVM启动的时候，虚拟机的C++源码会创建这个加载器。
2. 然后启动类加载器负责加载“扩展类加载器”和“应用类加载器”。
3. 自定义的类加载器一般是被应用类加载器所加载的。

内建于JVM中的启动类加载器会加载java.lang.ClassLoader以及其他的Java平台类。

当JVM启动时，一块特殊的机器码会运行，它会加载扩展类加载器与系统类加载器，这块特殊的机器码叫做启动类加载器（Bootstrap）。

启动类加载器并不是java类，而其他的加载器则都是java类。

启动类加载器是特定于平台的机器指令，它负责开启整个加载过程。

所有类加载器（除了启动类加载器）都被实现为Java类，不过，总归要有一个组件来加载第一个Java类加载器。

从而让整个加载过程能够顺利进行下去，加载第一个纯Java类加载器就是启动类加载器的职责。

启动类加载器还会负责加载供JRE正常运行所需要的基本组件，这包括java.util与java.lang包中的类等等。

双亲委派模型

双亲委派模型的工作过程是：

1. 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最顶层的启动类加载器中

2. 只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的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完成加载。

注：双亲委派模型，不代表继承，而是子类加载器包含父类加载器的一个引用。是一种组合（包含）关系。

双亲委派的好处

好处：Java中的类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都能够保证是同一个类。

双亲委派的源码实现

位于JDK中java.lang.ClassLoader类中

    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;
        }
    }

例子

package com.jamie.jvmstidy;

import java.io.IOException;
import java.net.URL;
import java.util.Enumeration;

public class TestClassLoader2 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        System.out.println("Thread ContextClassLoader:" + classLoader);
        System.out.println("==============1===================");
        String resource = "com/jamie/jvmstidy/TestClassLoader2.class";
        Enumeration<URL> resources = classLoader.getResources(resource);
        while(resources.hasMoreElements()) {
            System.out.println(resources.nextElement().toString());
        }
        System.out.println("==============2===================");
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        System.out.println(TestClassLoader2.class.getClassLoader());
    }
}

输出

Thread ContextClassLoader:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@14dad5dc
==============1===================
file:/F:/CodeFolder/SELF_STUDY/jvmstudy/target/classes/com/jamie/jvmstidy/TestClassLoader2.class
==============2===================
null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@14dad5dc

可以看出

1. 我们可以通过ClassLoader加载资源
2. 获取ClassLoader的途径有以下几种：

• 获得加载某个类的ClassLoader：clazz.getClassLoader() 跟具体的class类型有关，如果是rt.jar的类就是根类加载器
• 获得当前上下文的ClassLoader：Thread.currentThread().getContextClassLoader() 一般是AppClassLoader
• 获得系统（应用）ClassLoader：ClassLoader.getSystemClassLoader() 一般是AppClassLoader
• 获得调用者的ClassLoader：DriverManager.getCallerClassLoader()

查看本机的虚拟机是从哪些目录加载的字节码文件：

public class MyTest18 {
    public static void main(String[] args) {
        //系统类加载器加载路径
        System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));
        System.out.println();
        //扩展类加载器加载路径
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
        System.out.println();
        //应用类加载器加载路径
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
    }
}

得到结果如下：

F:\JDK8\jre\lib\resources.jar;F:\JDK8\jre\lib\rt.jar;F:\JDK8\jre\lib\sunrsasign.jar;F:\JDK8\jre\lib\jsse.jar;F:\JDK8\jre\lib\jce.jar;F:\JDK8\jre\lib\charsets.jar;F:\JDK8\jre\lib\jfr.jar;F:\JDK8\jre\classes

F:\JDK8\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

F:\JDK8\jre\lib\charsets.jar;F:\JDK8\jre\lib\deploy.jar;F:\JDK8\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;F:\JDK8\jre\lib\ext\cldrdata.jar;F:\JDK8\jre\lib\ext\dnsns.jar;F:\JDK8\jre\lib\ext\jaccess.jar;F:\JDK8\jre\lib\ext\jfxrt.jar;F:\JDK8\jre\lib\ext\localedata.jar;F:\JDK8\jre\lib\ext\nashorn.jar;F:\JDK8\jre\lib\ext\sunec.jar;F:\JDK8\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;F:\JDK8\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;F:\JDK8\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;F:\JDK8\jre\lib\ext\zipfs.jar;F:\JDK8\jre\lib\javaws.jar;F:\JDK8\jre\lib\jce.jar;F:\JDK8\jre\lib\jfr.jar;F:\JDK8\jre\lib\jfxswt.jar;F:\JDK8\jre\lib\jsse.jar;F:\JDK8\jre\lib\management-agent.jar;F:\JDK8\jre\lib\plugin.jar;F:\JDK8\jre\lib\resources.jar;F:\JDK8\jre\lib\rt.jar;F:\CodeFolder\SELF_STUDY\jvmstudy\target\classes;C:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2018.3.3\lib\idea_rt.jar