JVM类加载机制-优快云博客

JVM 在加载类的过程中，需要使用类加载器进行加载，为此，Java 提供了三层类加载器，以及双亲委派的类加载架构。

什么是三层类加载器

JVM 在加载类的过程中，需要使用类加载器进行加载，为此，Java 提供了三层类加载器，以及双亲委派的类加载架构。

三层加载器分别是启动类加载器、扩展类加载器、应用程序加载器：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

虚拟机的一部分，使用 C++ 实现，加载 <JAVA_HOME>/jre/lib 目录中，或者被 -Xbootclasspath 参数指定的路径中存放的类库。

例如：rt.jar、resources.jar 等等，如下所示：

System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));
/**
D:\Java\jdk1.8.0_301\jre\lib\resources.jar;
D:\Java\jdk1.8.0_301\jre\lib\rt.jar;
D:\Java\jdk1.8.0_301\jre\lib\sunrsasign.jar;
……
**/

扩展类加载器（Extension ClassLoader）

独立于虚拟机外部，使用 Java 实现，加载 <JAVA_HOME>/jre/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。

如下所示：

System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
/**
D:\Java\jdk1.8.0_301\jre\lib\ext;
C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext
**/

应用程序加载器（Application ClassLoader）

独立于虚拟机外部，使用 Java 实现，加载应用的 CLASSPATH 目录的所有类库。

例如：charsets.jar、deploy.jar 等等，如下所示：

System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
/**
D:\Java\jdk1.8.0_301\jre\lib\charsets.jar;
D:\Java\jdk1.8.0_301\jre\lib\deploy.jar;
D:\Java\jdk1.8.0_301\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;
……
**/

什么是双亲委派机制

双亲委派的工作过程是：

当一个类加载器收到了类加载的请求的时候，它不会直接去加载指定的类，而是把这个请求委托给自己的父加载器去加载，每一个加载器都是如此。

因此，所有的加载请求最终都会委派到最顶层的加载器去尝试类的加载，即启动类加载（Bootstrap ClassLoader）。

只有父加载器无法加载这个类的时候，才会由子加载器去尝试类的加载。

如果，最顶层的加载器都无法加载这个类，那么就会抛出异常。

类加载器的双亲委派模型，如下图所示：

双亲委派的工作过程，如下图所示：

怎么实现双亲委派机制

双亲委派的实现源码：java.lang.ClassLoader 的 loadClass()

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先，检查请求的类是否已经被加载
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {                
                    if (parent != null) {
                        // 委派给父类加载
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        // 在没有父类的情况下，委派给启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // 如果父类加载器无法加载的情况下
                    // 自身去加载类
                    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;
        }
    }

不过，父类加载器和子类加载器之间并不是继承关系的，而是使用组合关系来调用父类加载器。

public abstract class ClassLoader {

    // ……

    // 委派的父类加载器 
    // Note: VM hardcoded the offset of this field, thus all new fields
    // must be added *after* it.
    private final ClassLoader parent;
    
    // ……
}

为什么要使用双亲委派机制

对于一个类，它在 JVM 的唯一性是由加载它的类加载器和这个类本身所决定，每一个类加载器都拥有一个独立的类名称空间。

唯一性，可以理解为类的 Class 对象的 equals() 、isAssignableFrom()、isInstance() 方法返回结果，也包括了使用 instanceof 关键字做对象所属关系的判定等。

举个例子，不同类加载器加载同一个类的结果：

public class ClassLoaderDemo {

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {
        ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
                    InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                    if(is == null) {
                        return super.loadClass(name);
                    }
                    byte[] b = new byte[is.available()];
                    is.read(b);
                    return defineClass(name, b, 0, b.length);
                } catch(IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException(name);
                }
            }
        };

        Object obj = myLoader.loadClass("com.zero.demo.ClassLoaderDemo").newInstance();

        System.out.println(obj.getClass());
        System.out.println(obj instanceof com.zero.demo.ClassLoaderDemo);
    }
}

// 输出结果
/**
class com.zero.demo.ClassLoaderDemo
false
**/

通过双亲委派模型的优先级的层次关系，向上委派父加载器加载类，避免了类的重复加载，当父加载器已经加载过某一个类，子类加载器就不会重复加载这个类，保证了类的唯一性。

除此之外，双亲委派模型保证了安全性，防止 Java 核心 api 被篡改。例如有一个外界的 java.lang.Object 类传递到双亲委派模型的类加载器中，在程序启动阶段已经对 java.lang.Object 类进行加载，因此外界的类并不会被加载，而是直接返回 Java 核心 api 的 java.lang.Object 类。