Java类加载器

类加载器

一、类加载器概述

1、类加载器的作用

类加载器：负责将.class文件加载到内存中，并为之生成对应的Class对象（是JVM执行类加载机制的前提）

• ClassLoader是Java的核心组件，所有的Class都是由ClassLoader进行加载的。
• ClassLoader是否可以运行，则由Execution Engine决定。
• ClassLoader负责通过各种方式将Class信息的二进制数据流读入JVM内部，转换为一个与目标类对应的java.lang.Class对象实例，然后交给Java虚拟机进行链接、初始化等操作。

因此，ClassLoader在整个装载阶段，只能影响到类的加载，而无法通过ClassLoader去改变类的链接和初始化行为。

2、类加载的分类

类的加载分类：显式加载 vs 隐式加载（即JVM加载class文件到内存的方式）

• 显示加载：在代码中显示调用ClassLoader加载class对象

  如直接使用 Class.forName(name) 或 this.getClass().getClassLoader().loadClass() 加载class对象。

• 隐式加载：通过虚拟机自动加载到内存中，是不直接在代码中调用ClassLoader的方法加载class对象。

  如在加载某个类的class文件时，该类的class文件中引用了另外一个类的对象，此时额外引用的类将通过JVM自动加载到内存中。

在日常开发以上两种方式一般会混合使用。

// 隐式加载
User user = new User();
// 显式加载，并初始化
Class clazz = Class.forName("com.test.java.User");
// 显式加载，但不初始化
ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("com.test.java.Parent"); 

3、类加载器的必要性

一般情况下，Java开发人员并不需要在程序中显式地使用类加载器，但是了解类加载器的加载机制却显得至关重要。从以下几个方面说：

• 避免在开发中遇到 java.lang.ClassNotFoundException异常 或 java.lang.NoClassDefFoundError 异常时，手足无措。

  只有了解类加载器的加载机制，才能够在出现异常的时候 快速地根据错误异常日志定位问题和解决问题。

• 需要支持类的动态加载 或 需要对编译后的字节码文件进行加解密操作时，就需要与类加载器打交道了。

• 开发人员可以 在程序中编写自定义类加载器 来重新定义类的加载规则，以便实现一些自定义的处理逻辑。

4、命名空间

每个类加载器都有自己的命名空间，命名空间 由 该类加载器加载的类 及其 父类加载器加载的类 组成

• 父类加载器 加载的类 对 子类加载器 可见，但是反过来 子类加载器 加载的类 对 父类加载器 不可见。
• 在同一命名空间中，不会出现全限定名相同的两个类。
• 在不同的命名空间中，有可能会全限定名相同的两个类。

举例：

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
   
   

    // 省略自定义类加载器实现...见第七章的代码举例

    public static void main(String[] args) {
   
   
        try {
   
   
            // 创建自定义的类加载器1
            CustomClassLoader loader1 = new CustomClassLoader();
            Class<?> clazz1 = loader1.findClass("com.test.java.User");

            // 创建自定义的类加载器2
            CustomClassLoader loader2 = new CustomClassLoader();
            Class<?> clazz2 = loader2.findClass("com.test.java.User");

            // clazz1和clazz2对应了不同的类模版结构
            System.out.println(clazz1 == clazz2);           // false
            System.out.println(clazz1.getClassLoader());    // com.test.java.CustomClassLoader@4aa298b7
            System.out.println(clazz2.getClassLoader());    // com.test.java.CustomClassLoader@28d93b30

        } catch (ClassNotFoundException e) {
   
   
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

在大型应用中，我们往往借助这一特性，来运行同一个类的不同版本。

5、类的唯一性

$对于任意一个类，都需要由「加载它的类加载器」和「这个类本身」共同确认其在Java虚拟机中的唯一性。$

即使两个类源自同一个Class文件，被同一个JVM加载，只要加载他们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

因此，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。

二、类加载器的分类

JVM支持两种类型的类加载器，分别为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器（C z ClassLoader）。

有些人可能会有疑问，扩展类加载器 和 应用程序类加载器 是由JDK提供的现成的类加载器，怎么也属于自定义类加载器呢？

• 从概念上来讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的类加载器。
• 而Java虚拟机规范中，将所有派生于抽象类ClassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器

无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器结构主要是如下情况：

1、启动类加载器/引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）

• C/C++语言实现，嵌套在 JVM 内部。
• 并不派生于 java.lang.ClassLoader。
  • 没有父加载器。
  • 加载 扩展类加载器 和 应用程序类加载器，并指定为他们的父类加载器。
• 用来加载 Java 的核心类库
  • 加载 <JAVA_HOME>/jre/lib 、resources.jar 或 sun.boot.class.path 路径下的内容，
  • 用于提供 JVM 自身需要的类（Object、String、ClassLoader、Exception ）
• 出于安全考虑，引导类加载器只加载包名为 java、javax、sun 等开头的类

下面我们从代码层面看一下：

public class BootstrapClassLoader {
   
   
    public static void main(String[] args) {
   
   
        // 引导类加载器加载的类库
        URL[] urLs = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL urL : urLs) {
   
   
            System.out.println(urL);
        }

        // 从上边的路径中随意选择一个类，查看其类加载器
        ClassLoader classLoader1 = Object.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1); // null
        
        // 这里的null并不是说明不需要类加载器，而是因为引导类加载器是用C/C++语言实现的
    }
}

file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/jre/lib/cat.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/jre/classes

在 VM options 中 加上 -XX:+TraceClassLoading，就能打印类的加载信息，下面截取其中部分结果展示。

可以看到，启动类加载器会加载 Object、String、ClassLoader、Exception 等核心类。

还可以看到，启动类加载器还会加载 扩展类加载器 和 应用程序类加载器相关的类

2、扩展类加载器（Extension ClassLoader）

• Java 语言编写，由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现。
• 派生于 java.lang.ClassLoader
  • 父类加载器为引导类加载器。
• 用来加载 Java的扩展类库
  • 加载 <JAVA_HOME>/lib/ext目录中的 JAR 文件和类

import org.openjsse.sun.security.util.CurveDB;

public class ExtensionClassLoader {
   
   
    public static void main(String[] args) {
   
   
        // 扩展类加载器加载的类库
        String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String extPath : extDirs.split(":")) {
   
   
            System.out.println(extPath);
        }

        // 从上边的路径中随意选择一个类，查看其类加载器
        ClassLoader classLoader2 = CurveDB.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader2); // sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@232204a1
    }
}

/Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext
/Library/Java/Extensions

3、系统类加载器/应用程序类加载器（Application ClassLoader）

• Java 语言编写，由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现
• 派生于 java.lang.ClassLoader
  • 父类加载器为扩展类加载器。
  • 是用户自定义类加载器的默认父类加载器。
  • 是 线程上下文的加载器。
• 加载 应用程序中的类和资源：
  • 自己编写的类、第三方库提供的类、一些其他的资源文件
• 该类加载是程序中默认的类加载器，一般来说，Java 应用的类都是由它来完成加载

public class ApplicationClassLoader {
   
   
    public static void main(String[