ClassLoader解析——Java篇

我们知道,Java程序的启动,其实是依赖于我们编译之后的.class文件,那么JVM是如何读取.class文件的?这一切都离不开ClassLoader这个类,ClassLoader可以将Java字节码加载入JVM当中,供后面使用。

前言

一个Java程序的启动流程,大致分为:编译->加载->链接->初始化->运行。

  • 编译,也就是我们常见的将.java文件转换为.class文件的过程。一般我们可以通过javac命令进行编译,或者在ide中我们build一下就进行了编译
  • 加载,也就是这个环节利用了ClassLoader,将.class文件加载进JVM中
  • 链接,包括验证、准备和解析等几个步骤
  • 初始化,主要是执行了类中的静态代码
  • 运行,顾名思义,通过JVM虚拟机在对应平台上运行程序代码

三个类加载器

我们知道Java程序的启动,需要类加载器ClassLoader来将java字节码载入JVM,那么ClassLoader又是从何处开始加载呢?

概述

在Java中,系统自带了三个类记载器:

  1. BootStrap ClassLoader 最顶层的类加载器,Java会最先启动这个类加载器,加载核心类库,加载%JRE_HOME%\lib目录下的jar包和class文件等,其中就包括了Java的基础类,如String,IO等等
  2. Extention ClassLoader 第二层的类加载器,加载拓展类库,会加载%JRE_HOME%\lib\ext目录下的jar包和class文件等,其中包括了各地的时间语言包等。
  3. App ClassLoader 第三层的类加载库,加载当前应用目录下的jar包和class文件。

加载顺序

  1. BootStrap ClassLoader
    刚才说了,BootStrap ClassLoader是最顶层的类加载器,负责加载核心类库,自然也就是最先加载的ClassLoader了,然而我们却没办法在Java中找到对应的类。黑人问号脸???

刚才也说了,String,File等基础类都是由他在最开始加载的。我们尝试调用以下代码:

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

结果却是null???

通过查阅资料可以得知,BootStrap ClassLoaer其实是C/C++实现的,是它本身是虚拟机的一部分,所以我们在Java代码中并没有办法找到他。所以自然也就是null

  1. Extention ClassLoader&AppClassLoader
    BootStrap ClassLoader不同,Extention ClassLoader&AppClassLoader我们可以在代码中找到,他们都是Launcher类的内部类:
public class Launcher {
    public Launcher() {
        //省略大量代码
        Launcher.ExtClassLoader var1;
        //加载ExtClassLoader,没有传入参数
        var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        //加载AppClassLoader,传入ExtClassLoader作为参数,并将AppClassLoader设为Launcher的ClassLoader
        this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
        ……
    }
    
    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {
        //省略
        AppClassLoader(URL[] var1, ClassLoader var2) {
            super(var1, var2, Launcher.factory);
        }
    }
    
    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
        //省略
        public ExtClassLoader(File[] var1) throws IOException {
            super(getExtURLs(var1), (ClassLoader)null, Launcher.factory);
        }
    }
}

查阅资料可以得知,Launcher是由JVM的入口应用,由虚拟机启动时通过JNI启动该类。

我们可以看到Launcher的构造函数中,依次加载了ExtClassLoaderAppClassLoader

所以我们可以总结出:JVM会首先加载BootStrap ClassLoader,接着加载ExtClassLoader,然后才加载AppClassLoader。

工作原理——双亲委托

我们可以先看看ClassLoader的构造函数:

public abstract class ClassLoader {
    private final ClassLoader parent;
    private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
        this.parent = parent;
        ……//省略一堆
    }
}

可以看到,在构造函数中,传入了一个ClassLoader作为parent。
同时ClassLoader有一个getParent的方法,可以通过这个方法获取当前ClassLoader的Parent,那么AppClassLoader和ExtClassLoader的parent是什么鬼呢,我们实验一下:

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

打印结果:

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@28d93b30
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@14ae5a5
null

看到这样的输出结果,我们难免会有些疑惑:

  1. AppClassLoader的parent是ExtClassLoader?
  2. ExtClassLoader的parent是null
  3. BootStrapClassLoader呢???

为了解开这些疑惑,我们看一下AppClassLoader&ExtClassLoader的构造函数:

public class Launcher {
    public Launcher() {
        //省略大量代码
        Launcher.ExtClassLoader var1;
        //加载ExtClassLoader,没有传入参数
        var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        //加载AppClassLoader,传入ExtClassLoader作为参数,并将AppClassLoader设为Launcher的ClassLoader
        this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
        ……
    }
    
    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {
        //省略
        AppClassLoader(URL[] var1, ClassLoader var2) {
            // var2对应传入了ExtClassLoader作为parent
            super(var1, var2, Launcher.factory);
        }
    }
    
    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
        //省略
        public ExtClassLoader(File[] var1) throws IOException {
            // 传入null作为parent
            super(getExtURLs(var1), (ClassLoader)null, Launcher.factory);
        }
    }
}

可以看到,Launcher在构造时会先创建ExtClassLoader然后将创建的ExtClassLoader做为参数构建AppClassLoader。而ExtClassLoader创建时会传入null作为parent,AppClassLoader会传入刚构建的ExtClassLoader作为parent。

这也就印证了我们刚才的输出结果。但是parent的意义有是什么呢?

加载过程

接下来我们需要先看一下ClassLoader是如何加载一个Class的:
在Java会通过ClassLoader的loadClass方法来加载一个类,我们先看一下这个方法:

public abstract class ClassLoader {
    /**
     *   使用特定的二进制名来加载类
     *   默认会执行如下的顺序:
     *   1. 通过findLoadedClass()判断这个类时候已经加载过了
     *   2. 通过parent.loadClass()尝试让parent加载这个class
     *      如果parent是null,那么调用虚拟机创建的ClassLoaer
     *   3. 通过findClass()加载类,最终defineClass方法将jar文件转为Class
     *   
     *   如果通过上述步骤可以加载出对应的class,那么调用resolveClass(Class 处理结果。
     *   子类应该重写findClass()方法而不是这个方法
     */
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
    {
        //省略部分代码
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先检查这个类是否已经被加载过
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            //如果没有被加载过
            if (c == null) {
                    // 如果parent不为空
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        // 如果parent为空,那么调用Bootstrap classLoader加载这个类
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }

                if (c == null) {
                    // 如果仍然为空,那么调用findClass
                    c = findClass(name);
                }
            }
            if (resolve) {
                // 处理结果
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }
}

通过注释我们可以清楚的看到这个方法的主要逻辑:

  1. 通过findLoadedClass()判断这个类时候已经加载过了
  2. 通过parent.loadClass()尝试让parent加载这个class
    如果parent是null,那么调用虚拟机创建的BootStrapClassLoaer
  3. 通过findClass()(最终转到defineClass方法)加载类,将jar文件转为Class

TODO:= =本来打算画个图。。可是怎么画都不合意。。

可以看到,ClassLoader会先委托parent进行加载,如果加载不出来才会自己进行加载,所以Classloaderparent其实是一个层级关系。

这也正是刚才说的双亲委托机制:先委托parent进行加载,加载不出来再自己加载。
为什么要选择这种机制呢?试想一下如果现在我也实现了一个String类(包名也一样),这样JVM中是不是就会有两种String呢?这样不就乱套了吗,而且也出现了安全问题
采用双亲委托机制就很好的解决了这种情况,我们永远没有办法加载一个自定义的String类(包名也相同)。

总结

  1. 首先JVM会依次加载BootStrapClassLoader(C/C++)ExtClassLoaderAppClassLoader

  2. AppClassLoaderparentExtClassLoader,而ExtClassLoaderparent可以认为是BootStrapClassLoader(因为当parent为null时,会调用BootStrapClassLoader来加载)

  3. ClasLoader加载时采用双亲委托机制,会优先委托parent加载,如果null,再自己加载

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