Java ClassLoader原理深入講解

時間：2024-10-19 00:14:48 JAVA認證我要投稿

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　　JAVA啟動后，是經過JVM各級ClassLoader來加載各個類到內存。為了更加了解加載過程，下面為大家深入講解Java ClassLoader原理，僅供參考!

　　當JVM(Java虛擬機)啟動時，會形成由三個類加載器組成的初始類加載器層次結構：

　　bootstrap classloader

　　extension classloader

　　system classloader

　　bootstrap classloader -引導(也稱為原始)類加載器，它負責加載Java的核心類。在Sun的JVM中，在執行java的命令中使用-Xbootclasspath選項或使用 - D選項指定sun.boot.class.path系統屬性值可以指定附加的類。這個加載器的是非常特殊的，它實際上不是 java.lang.ClassLoader的子類，而是由JVM自身實現的。大家可以通過執行以下代碼來獲得bootstrap classloader加載了那些核心類庫：

　　URL[] urls=sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();

　　for (int i = 0; i < urls.length; i++) {

　　System.out.println(urls.toExternalform());

　　}

　　在我的計算機上的結果為：

　　文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/dom.jar

　　文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/sax.jar

　　文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xalan-2.3.1.jar

　　文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xercesImpl-2.0.0.jar

　　文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xml-apis.jar

　　文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xsltc.jar

　　文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/rt.jar

　　文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/i18n.jar

　　文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/sunrsasign.jar

　　文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/jsse.jar

　　文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/jce.jar

　　文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/charsets.jar

　　文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/classes

　　這時大家知道了為什么我們不需要在系統屬性CLASSPATH中指定這些類庫了吧，因為JVM在啟動的時候就自動加載它們了。

　　extension classloader -擴展類加載器，它負責加載JRE的擴展目錄(JAVA_HOME/jre/lib/ext或者由java.ext.dirs系統屬性指定的)中JAR的類包。這為引入除Java核心類以外的新功能提供了一個標準機制。因為默認的擴展目錄對所有從同一個JRE中啟動的JVM都是通用的，所以放入這個目錄的 JAR類包對所有的JVM和system classloader都是可見的。在這個實例上調用方法getParent()總是返回空值null，因為引導加載器bootstrap classloader不是一個真正的ClassLoader實例。所以當大家執行以下代碼時：

　　System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));

　　ClassLoader extensionClassloader=ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();

　　System.out.println("the parent of extension classloader : "+extensionClassloader.getParent());

　　結果為：

　　C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/ext

　　the parent of extension classloader : null

　　extension classloader是system classloader的parent，而bootstrap classloader是extension classloader的parent，但它不是一個實際的classloader，所以為null。

　　system classloader -系統(也稱為應用)類加載器，它負責在JVM被啟動時，加載來自在命令java中的-classpath或者java.class.path系統屬性或者 CLASSPATH操作系統屬性所指定的JAR類包和類路徑。總能通過靜態方法ClassLoader.getSystemClassLoader()找到該類加載器。如果沒有特別指定，則用戶自定義的任何類加載器都將該類加載器作為它的父加載器。執行以下代碼即可獲得：

　　System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));

　　輸出結果則為用戶在系統屬性里面設置的CLASSPATH。

　　classloader 加載類用的是全盤負責委托機制。所謂全盤負責，即是當一個classloader加載一個Class的時候，這個Class所依賴的和引用的所有 Class也由這個classloader負責載入，除非是顯式的使用另外一個classloader載入;委托機制則是先讓parent(父)類加載器 (而不是super，它與parent classloader類不是繼承關系)尋找，只有在parent找不到的時候才從自己的類路徑中去尋找。此外類加載還采用了cache機制，也就是如果 cache中保存了這個Class就直接返回它，如果沒有才從文件中讀取和轉換成Class，并存入cache，這就是為什么我們修改了Class但是必須重新啟動JVM才能生效的原因。

　　每個ClassLoader加載Class的過程是：

　　1.檢測此Class是否載入過(即在cache中是否有此Class)，如果有到8,如果沒有到2

　　2.如果parent classloader不存在(沒有parent，那parent一定是bootstrap classloader了)，到4

　　3.請求parent classloader載入，如果成功到8，不成功到5

　　4.請求jvm從bootstrap classloader中載入，如果成功到8

　　5.尋找Class文件(從與此classloader相關的類路徑中尋找)。如果找不到則到7.

　　6.從文件中載入Class，到8.

　　7.拋出ClassNotFoundException.

　　8.返回Class.

　　其中5.6步我們可以通過覆蓋ClassLoader的findClass方法來實現自己的載入策略。甚至覆蓋loadClass方法來實現自己的載入過程。

　　類加載器的順序是：

　　先是bootstrap classloader，然后是extension classloader，最后才是system classloader。大家會發現加載的Class越是重要的越在靠前面。這樣做的原因是出于安全性的考慮，試想如果system classloader“親自”加載了一個具有破壞性的“java.lang.System”類的后果吧。這種委托機制保證了用戶即使具有一個這樣的類，也把它加入到了類路徑中，但是它永遠不會被載入，因為這個類總是由bootstrap classloader來加載的。大家可以執行一下以下的代碼：

　　System.out.println(System.class.getClassLoader());

　　將會看到結果是null，這就表明java.lang.System是由bootstrap classloader加載的，因為bootstrap classloader不是一個真正的ClassLoader實例，而是由JVM實現的，正如前面已經說過的。

　　下面就讓我們來看看JVM是如何來為我們來建立類加載器的結構的：

　　sun.misc.Launcher，顧名思義，當你執行java命令的時候，JVM會先使用bootstrap classloader載入并初始化一個Launcher，執行下來代碼：

　　System.out.println("the Launcher's classloader is "+sun.misc.Launcher.getLauncher().getClass().getClassLoader());

　　結果為：

　　the Launcher's classloader is null (因為是用bootstrap classloader加載,所以class loader為null)

　　Launcher 會根據系統和命令設定初始化好class loader結構，JVM就用它來獲得extension classloader和system classloader,并載入所有的需要載入的Class，最后執行java命令指定的帶有靜態的main方法的Class。extension classloader實際上是sun.misc.Launcher$ExtClassLoader類的一個實例，system classloader實際上是sun.misc.Launcher$AppClassLoader類的一個實例。并且都是 java.net.URLClassLoader的子類。

　　讓我們來看看Launcher初試化的過程的部分代碼。

　　Launcher的部分代碼：

　　public class Launcher {

　　public Launcher() {

　　ExtClassLoader extclassloader;

　　try {

　　//初始化extension classloader

　　extclassloader = ExtClassLoader.getExtClassLoader();

　　} catch(IOException ioexception) {

　　throw new InternalError("Could not create extension class loader");

　　}

　　try {

　　//初始化system classloader，parent是extension classloader

　　loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extclassloader);

　　} catch(IOException ioexception1) {

　　throw new InternalError("Could not create application class loader");

　　}

　　//將system classloader設置成當前線程的context classloader(將在后面加以介紹)

　　Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);

　　......

　　}

　　public ClassLoader getClassLoader() {

　　//返回system classloader

　　return loader;

　　}

　　extension classloader的部分代碼：

　　static class Launcher$ExtClassLoader extends URLClassLoader {

　　public static Launcher$ExtClassLoader getExtClassLoader()

　　throws IOException

　　{

　　File afile[] = getExtDirs();

　　return (Launcher$ExtClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$1(afile));

　　}

　　private static File[] getExtDirs() {

　　//獲得系統屬性“java.ext.dirs”

　　String s = System.getProperty("java.ext.dirs");

　　File afile[];

　　if(s != null) {

　　StringTokenizer stringtokenizer = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);

　　int i = stringtokenizer.countTokens();

　　afile = new File;

　　for(int j = 0; j < i; j++)

　　afile[j] = new File(stringtokenizer.nextToken());

　　} else {

　　afile = new File[0];

　　}

　　return afile;

　　}

　　system classloader的部分代碼：

　　static class Launcher$AppClassLoader extends URLClassLoader

　　{

　　public static ClassLoader getAppClassLoader(ClassLoader classloader)

　　throws IOException

　　{

　　//獲得系統屬性“java.class.path”

　　String s = System.getProperty("java.class.path");

　　File afile[] = s != null ? Launcher.access$200(s) : new File[0];

　　return (Launcher$AppClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$2(s, afile, classloader));

　　}

　　看了源代碼大家就清楚了吧，extension classloader是使用系統屬性“java.ext.dirs”設置類搜索路徑的，并且沒有parent。system classloader是使用系統屬性“java.class.path”設置類搜索路徑的，并且有一個parent classloader。Launcher初始化extension classloader，system classloader，并將system classloader設置成為context classloader，但是僅僅返回system classloader給JVM。

　　這里怎么又出來一個context classloader呢?它有什么用呢?我們在建立一個線程Thread的時候，可以為這個線程通過setContextClassLoader方法來指定一個合適的classloader作為這個線程的context classloader，當此線程運行的時候，我們可以通過getContextClassLoader方法來獲得此context classloader，就可以用它來載入我們所需要的Class。默認的是system classloader。利用這個特性，我們可以“打破”classloader委托機制了，父classloader可以獲得當前線程的context classloader，而這個context classloader可以是它的子classloader或者其他的classloader，那么父classloader就可以從其獲得所需的 Class，這就打破了只能向父classloader請求的限制了。這個機制可以滿足當我們的classpath是在運行時才確定,并由定制的 classloader加載的時候,由system classloader(即在jvm classpath中)加載的class可以通過context classloader獲得定制的classloader并加載入特定的class(通常是抽象類和接口,定制的classloader中是其實現),例如web應用中的servlet就是用這種機制加載的.

　　好了，現在我們了解了classloader的結構和工作原理，那么我們如何實現在運行時的動態載入和更新呢?只要我們能夠動態改變類搜索路徑和清除classloader的cache中已經載入的Class就行了，有兩個方案，一是我們繼承一個classloader，覆蓋loadclass方法，動態的尋找Class文件并使用defineClass方法來;另一個則非常簡單實用，只要重新使用一個新的類搜索路徑來new一個classloader就行了，這樣即更新了類搜索路徑以便來載入新的Class，也重新生成了一個空白的cache(當然,類搜索路徑不一定必須更改)。噢，太好了，我們幾乎不用做什么工作，java.netURLClassLoader正是一個符合我們要求的classloader!我們可以直接使用或者繼承它就可以了!

　　這是j2se1.4 API的doc中URLClassLoader的兩個構造器的描述：

　　URLClassLoader(URL[] urls)

　　Constructs a new URLClassLoader for the specified URLs using the default delegation parent ClassLoader.

　　URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent)

　　Constructs a new URLClassLoader for the given URLs.

　　其中URL[] urls就是我們要設置的類搜索路徑，parent就是這個classloader的parent classloader，默認的是system classloader。

　　好，現在我們能夠動態的載入Class了，這樣我們就可以利用newInstance方法來獲得一個Object。但我們如何將此Object造型呢?可以將此Object造型成它本身的Class嗎?

　　首先讓我們來分析一下java源文件的編譯，運行吧!javac命令是調用“JAVA_HOME/lib/tools.jar”中的“com.sun.tools.javac.Main”的compile方法來編譯：

　　public static int compile(String as[]);

　　public static int compile(String as[], PrintWriter printwriter);

　　返回0表示編譯成功，字符串數組as則是我們用javac命令編譯時的參數，以空格劃分。例如：

　　javac -classpath c:/foo/bar.jar;. -d c:/ c:/Some.java

　　則字符串數組as為{"-classpath","c://foo//bar.jar;.","-d","c://","c://Some.java"}，如果帶有PrintWriter參數，則會把編譯信息出到這個指定的printWriter中。默認的輸出是System.err。

　　其中 Main是由JVM使用Launcher初始化的system classloader載入的，根據全盤負責原則，編譯器在解析這個java源文件時所發現的它所依賴和引用的所有Class也將由system classloader載入，如果system classloader不能載入某個Class時，編譯器將拋出一個“cannot resolve symbol”錯誤。

　　所以首先編譯就通不過，也就是編譯器無法編譯一個引用了不在CLASSPATH中的未知Class的java源文件，而由于拼寫錯誤或者沒有把所需類庫放到CLASSPATH中，大家一定經常看到這個“cannot resolve symbol”這個編譯錯誤吧!

　　其次，就是我們把這個Class放到編譯路徑中，成功的進行了編譯，然后在運行的時候不把它放入到CLASSPATH中而利用我們自己的 classloader來動態載入這個Class，這時候也會出現“java.lang.NoClassDefFoundError”的違例，為什么呢?

　　我們再來分析一下，首先調用這個造型語句的可執行的Class一定是由JVM使用Launcher初始化的system classloader載入的，根據全盤負責原則，當我們進行造型的時候，JVM也會使用system classloader來嘗試載入這個Class來對實例進行造型，自然在system classloader尋找不到這個Class時就會拋出“java.lang.NoClassDefFoundError”的違例。

　　OK，現在讓我們來總結一下，java文件的編譯和Class的載入執行，都是使用Launcher初始化的system classloader作為類載入器的，我們無法動態的改變system classloader，更無法讓JVM使用我們自己的classloader來替換system classloader，根據全盤負責原則，就限制了編譯和運行時，我們無法直接顯式的使用一個system classloader尋找不到的Class，即我們只能使用Java核心類庫，擴展類庫和CLASSPATH中的類庫中的Class。

　　還不死心!再嘗試一下這種情況，我們把這個Class也放入到CLASSPATH中，讓system classloader能夠識別和載入。然后我們通過自己的classloader來從指定的class文件中載入這個Class(不能夠委托 parent載入，因為這樣會被system classloader從CLASSPATH中將其載入)，然后實例化一個Object，并造型成這個Class，這樣JVM也識別這個Class(因為 system classloader能夠定位和載入這個Class從CLASSPATH中)，載入的也不是CLASSPATH中的這個Class，而是從 CLASSPATH外動態載入的，這樣總行了吧!十分不幸的是，這時會出現“java.lang.ClassCastException”違例。

　　為什么呢?我們也來分析一下，不錯，我們雖然從CLASSPATH外使用我們自己的classloader動態載入了這個Class，但將它的實例造型的時候是JVM會使用system classloader來再次載入這個Class，并嘗試將使用我們的自己的classloader載入的Class的一個實例造型為system classloader載入的這個Class(另外的一個)。大家發現什么問題了嗎?也就是我們嘗試將從一個classloader載入的Class的一個實例造型為另外一個classloader載入的Class，雖然這兩個Class的名字一樣，甚至是從同一個class文件中載入。但不幸的是JVM 卻認為這個兩個Class是不同的，即JVM認為不同的classloader載入的相同的名字的Class(即使是從同一個class文件中載入的)是不同的!這樣做的原因我想大概也是主要出于安全性考慮，這樣就保證所有的核心Java類都是system classloader載入的，我們無法用自己的classloader載入的相同名字的Class的實例來替換它們的實例。

　　看到這里，聰明的讀者一定想到了該如何動態載入我們的Class，實例化，造型并調用了吧!

　　那就是利用面向對象的基本特性之一的多形性。我們把我們動態載入的Class的實例造型成它的一個system classloader所能識別的父類就行了!這是為什么呢?我們還是要再來分析一次。當我們用我們自己的classloader來動態載入這我們只要把這個Class的時候，發現它有一個父類Class，在載入它之前JVM先會載入這個父類Class，這個父類Class是system classloader所能識別的，根據委托機制，它將由system classloader載入，然后我們的classloader再載入這個Class，創建一個實例，造型為這個父類Class，注意了，造型成這個父類 Class的時候(也就是上溯)是面向對象的java語言所允許的并且JVM也支持的，JVM就使用system classloader再次載入這個父類Class，然后將此實例造型為這個父類Class。大家可以從這個過程發現這個父類Class都是由 system classloader載入的，也就是同一個class loader載入的同一個Class，所以造型的時候不會出現任何異常。而根據多形性，調用這個父類的方法時，真正執行的是這個Class(非父類 Class)的覆蓋了父類方法的方法。這些方法中也可以引用system classloader不能識別的Class，因為根據全盤負責原則，只要載入這個Class的classloader即我們自己定義的 classloader能夠定位和載入這些Class就行了。

　　這樣我們就可以事先定義好一組接口或者基類并放入CLASSPATH中，然后在執行的時候動態的載入實現或者繼承了這些接口或基類的子類。還不明白嗎?讓我們來想一想Servlet吧，web application server能夠載入任何繼承了Servlet的Class并正確的執行它們，不管它實際的Class是什么，就是都把它們實例化成為一個Servlet Class，然后執行Servlet的init，doPost，doGet和destroy等方法的,而不管這個Servlet是從web- inf/lib和web-inf/classes下由system classloader的子classloader(即定制的classloader)動態載入。說了這么多希望大家都明白了。在applet,ejb等容器中,都是采用了這種機制.

　　對于以上各種情況，希望大家實際編寫一些example來實驗一下。

　　最后我再說點別的， classloader雖然稱為類加載器，但并不意味著只能用來加載Class，我們還可以利用它也獲得圖片，音頻文件等資源的URL，當然，這些資源必須在CLASSPATH中的jar類庫中或目錄下。我們來看API的doc中關于ClassLoader的兩個尋找資源和Class的方法描述吧：

　　public URL getResource(String name)

　　用指定的名字來查找資源，一個資源是一些能夠被class代碼訪問的在某種程度上依賴于代碼位置的數據(圖片，音頻，文本等等)。

　　一個資源的名字是以'/'號分隔確定資源的路徑名的。

　　這個方法將先請求parent classloader搜索資源，如果沒有parent，則會在內置在虛擬機中的classloader(即bootstrap classloader)的路徑中搜索。如果失敗，這個方法將調用findResource(String)來尋找資源。

　　public static URL getSystemResource(String name)

　　從用來載入類的搜索路徑中查找一個指定名字的資源。這個方法使用system class loader來定位資源。即相當于ClassLoader.getSystemClassLoader().getResource(name)。

　　例如：

　　System.out.println(ClassLoader.getSystemResource("java/lang/String.class"));

　　的結果為：

　　jar:文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/rt.jar!/java/lang/String.class

　　表明String.class文件在rt.jar的java/lang目錄中。

　　因此我們可以將圖片等資源隨同Class一同打包到jar類庫中(當然，也可單獨打包這些資源)并添加它們到class loader的搜索路徑中，我們就可以無需關心這些資源的具體位置，讓class loader來幫我們尋找了!