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ClassLoader工作机制

分类: 文章 • 2022-10-29 15:11:38

ClassLoader工作机制

1. ClassLoader概念

简单理解：ClassLoader就是类加载器，用来动态加载class文件到JVM中，并转换成java.lang.class类的一个实例。与普通程序不同的是。Java程序（class文件）并不是本地的可执行程序。当运行Java程序时，首先运行JVM（Java虚拟机），然后再把Java class加载到JVM里面运行，负责加载Java class的这部分就叫做ClassLoader。
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2. Java默认提供的ClassLoader

Java默认提供三个ClassLoader， BootStrap ClassLoader、
Extension ClassLoader和App ClassLoader。
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3. ClassLoader之间的关系

ExtClassLoader和AppClassLoader都继承了URLClassLoader类，而URLClassLoader又实现了抽象类ClassLoader,在创建Launcher对象的时候首先会创建ExtClassLoader,然后将ExtClassLoader对象作为父加载器创建AppClassLoader对象，而通过Launcher.getClassLoader()方法获取的ClassLoader就是AppClassLoader对象。所以如果在java应用中没有定义其它ClassLoader,那么除了System.getProperty(“java.ext.dirs”)目录下的类是由ExtClassLoader加载外，其它类都由AppClassLoader来加载。
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Launcher源代码:

public class Launcher {

	public Launcher() { 
		try {
			 extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();// 创建ExtClassLoader
		 } catch (IOException e) { 
			 throw new InternalError( "Could not create extension classloader", e);
		 } 
		try { 
			 loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl); // 将ExtClassLoader对象作为父加载器创建AppClassLoader

		 } catch (IOException e) {
			 throw new InternalError( "Could not create application classloader", e); 
		 }
	}
	
	……
	
	static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {};// ExtClassLoader继承URLClassLoader类
	
	……
	
	static class AppClassLoader extends URLClassLoader {};// AppClassLoader继承URLClassLoader类
	
	……

从如上的代码我们可以看出，Launcher 类中包含 ExtClassLoader 和 AppClassLoader，而ExtClassLoader 和 AppClassLoader又继承自 URLClassLoader。在 Launcher的构造方法中， 会先通过ExtClassLoader.getExtClassLoader()方法创建 ExtClassLoader 的对象 extcl，然后再将extcl作为父加载器创建AppClassLoader的对象。

4. 每个类加载器都有一个父加载器

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4.1 ClassLoader的父加载器

首先，我们要明确的知道一点，父加载器不是父类，一个类的父加载器有两种情况：

  1. 由外部类创建ClassLoader时直接指定一个ClassLoader为parent。
  2. 由getSystemClassLoader()方法生成，也就是在sun.misc.Laucher通过getClassLoader()获取，也就是上面我们所说过的AppClassLoader。直白的说，一个ClassLoader创建时如果没有指定parent，那么它的parent默认就是AppClassLoader。

ClassLoader源代码：

   public abstract class ClassLoader {

	private final ClassLoader parent;
	private static ClassLoader scl;
	private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
 		this.parent = parent; 
	…
	} 

	protected ClassLoader(ClassLoader parent) { 
		this(checkCreateClassLoader(), parent); // 指定parent创建
	} 

	protected ClassLoader() { 
		this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());// 未指定parent，由getSystemClassLoader()方法生成
 	}

	public final ClassLoader getParent() 
	{ 
		if (parent == null) return null; 
		return 	parent; 
	}
	…
	public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
	initSystemClassLoader();
	if (scl == null) {
		return null;
	}
	 return scl; // 返回scl
	}

	private static synchronized void initSystemClassLoader() {
		if (!sclSet) {
			if (scl != null)
				throw new IllegalStateException("recursive invocation");
			sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher();
			if (l != null) { 
				Throwable oops = null;
				scl = l.getClassLoader();// scl赋值
			…		
			}
			…
		}
		…
	}

从ClassLoader的源代码我们可以看到，ClassLoader中有两个受保护的构造方法，其中一个需要传入parent参数，通过parent创建ClassLoader；另一个是无参构造方法，在这个无参构造方法中则是通过getSystemClassLoader()创建ClassLoader。在getSystemClassLoader()方法中我们可以看到返回的是一个scl的对象，而在scl的初始化话方法initSystemClassLoader()里面，scl是通过sun.misc.Launcher.getClassLoader()方法赋值的。

4.2 Bootstrap ClassLoader

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。因此通过ExtClassLoader的getParent方法获取的值为Null，但它仍然是具有父加载器的。

5. 双亲委托加载方式

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“询问”父加载器是否加载，如果没有，则再往上询问，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。
ClassLoader工作机制
如上图所示，双亲委托加载机制有分为5个步骤：

  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。

LoadClass方法源码：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
	throws ClassNotFoundException{ 		
	synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
		  // 检测class文件是否已经加载
	      Class<?> c = findLoadedClass(name);
			if (c == null) {// class文件未加载
				long t0 = System.nanoTime(); 
				try {
					if (parent != null) {
						// 父加载器不为空则递归调用父加载器的loadClass
						c = parent.loadClass(name, false);
					} else {
						//父加载器为空则调用Bootstrap Classloader 
						c = findBootstrapClassOrNull(name); 
					}
				} catch (ClassNotFoundException e) {
				} 
			if (c == null) {
				long t1 = System.nanoTime
				 c = findClass(name);// 父加载器没有找到，则调用自身的findclass方法查找
			…
			}
		    …
	     }
	     if (resolve) {
			resolveClass(c); // 调用resolveClass()生成最终的class实例
	     } 
	     return c;
	}
}

ClassLoader工作机制
通过上面代码和图片我们可以看出，类加载具体步骤如下：

  1. 执行findLoadedClass(String)去检测这个class是不是已经加载过了。
  2. 执行父加载器的loadClass方法。如果父加载器为null，则jvm内置的加载器去替代，也就是Bootstrap ClassLoader。这也解释了ExtClassLoader的parent为null,但仍然说Bootstrap ClassLoader是它的父加载器。
  3. 如果向上委托父加载器没有加载成功，则通过findClass(String)查找。
  4. 调用resolveClass(Class)这个方法来生成最终的Class对象。

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