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标题: 【成都校区】《类加载的机制的层次结构》 [打印本页]

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作者: 不知道别问我    时间: 2018-11-29 12:53
标题: 【成都校区】《类加载的机制的层次结构》
类加载的机制的层次结构
每个编写的”.java”拓展名类文件都存储着需要执行的程序逻辑，这些”.java”文件经过Java编译器编译成拓展名为”.class”的文件，”.class”文件中保存着Java代码经转换后的虚拟机指令，当需要使用某个类时，虚拟机将会加载它的”.class”文件，并创建对应的class对象，将class文件加载到虚拟机的内存，这个过程称为类加载，这里我们需要了解一下类加载的过程，如下：

加载：类加载过程的一个阶段：通过一个类的完全限定查找此类字节码文件，并利用字节码文件创建一个Class对象
验证：目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，不会危害虚拟机自身安全。主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。
准备：为类变量(即static修饰的字段变量)分配内存并且设置该类变量的初始值即0(如static int i=5;这里只将i初始化为0，至于5的值将在初始化时赋值)，这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配了，注意这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。
解析：主要将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量，而直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。有类或接口的解析，字段解析，类方法解析，接口方法解析(这里涉及到字节码变量的引用，如需更详细了解，可参考《深入Java虚拟机》)。
初始化：类加载最后阶段，若该类具有超类，则对其进行初始化，执行静态初始化器和静态初始化成员变量(如前面只初始化了默认值的static变量将会在这个阶段赋值，成员变量也将被初始化)。
这便是类加载的5个过程，而类加载器的任务是根据一个类的全限定名来读取此类的二进制字节流到JVM中，然后转换为一个与目标类对应的java.lang.Class对象实例，在虚拟机提供了3种类加载器，引导（Bootstrap）类加载器、扩展（Extension）类加载器、系统（System）类加载器（也称应用类加载器），下面分别介绍
启动（Bootstrap）类加载器
启动类加载器主要加载的是JVM自身需要的类，这个类加载使用C++语言实现的，是虚拟机自身的一部分，它负责将 <JAVA_HOME>/lib路径下的核心类库或-Xbootclasspath参数指定的路径下的jar包加载到内存中，注意必由于虚拟机是按照文件名识别加载jar包的，如rt.jar，如果文件名不被虚拟机识别，即使把jar包丢到lib目录下也是没有作用的(出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类)。
扩展（Extension）类加载器
扩展类加载器是指Sun公司(已被Oracle收购)实现的sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类，由Java语言实现的，是Launcher的静态内部类，它负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录下或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位路径中的类库，开发者可以直接使用标准扩展类加载器。
//ExtClassLoader类中获取路径的代码
private static File[] getExtDirs() {
     //加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的类库
     String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
     File[] dirs;
     if (s != null) {
         StringTokenizer st =
             new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
         int count = st.countTokens();
         dirs = new File[count];
         for (int i = 0; i < count; i++) {
             dirs[i] = new File(st.nextToken());
         }
     } else {
         dirs = new File[0];
     }
     return dirs;
}
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系统（System）类加载器
也称应用程序加载器是指 Sun公司实现的sun.misc.Launcher$AppClassLoader。它负责加载系统类路径java -classpath或-D java.class.path 指定路径下的类库，也就是我们经常用到的classpath路径，开发者可以直接使用系统类加载器，一般情况下该类加载是程序中默认的类加载器，通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器。 
　 在Java的日常应用程序开发中，类的加载几乎是由上述3种类加载器相互配合执行的，在必要时，我们还可以自定义类加载器，需要注意的是，Java虚拟机对class文件采用的是按需加载的方式，也就是说当需要使用该类时才会将它的class文件加载到内存生成class对象，而且加载某个类的class文件时，Java虚拟机采用的是双亲委派模式即把请求交由父类处理，它一种任务委派模式，下面我们进一步了解它。
理解双亲委派模式
双亲委派模式工作原理
双亲委派模式要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器，请注意双亲委派模式中的父子关系并非通常所说的类继承关系，而是采用组合关系来复用父类加载器的相关代码，类加载器间的关系如下：

双亲委派模式是在Java 1.2后引入的，其工作原理的是，如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行，如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式，即每个儿子都很懒，每次有活就丢给父亲去干，直到父亲说这件事我也干不了时，儿子自己想办法去完成，这不就是传说中的实力坑爹啊？那么采用这种模式有啥用呢?
双亲委派模式优势
采用双亲委派模式的是好处是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。其次是考虑到安全因素，java核心api中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Integer，而直接返回已加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。可能你会想，如果我们在classpath路径下自定义一个名为java.lang.SingleInterge类(该类是胡编的)呢？该类并不存在java.lang中，经过双亲委托模式，传递到启动类加载器中，由于父类加载器路径下并没有该类，所以不会加载，将反向委托给子类加载器加载，最终会通过系统类加载器加载该类。但是这样做是不允许，因为java.lang是核心API包，需要访问权限，强制加载将会报出如下异常
java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
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所以无论如何都无法加载成功的。下面我们从代码层面了解几个Java中定义的类加载器及其双亲委派模式的实现，它们类图关系如下

从图可以看出顶层的类加载器是ClassLoader类，它是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自ClassLoader（不包括启动类加载器），这里我们主要介绍ClassLoader中几个比较重要的方法。
loadClass(String)
该方法加载指定名称（包括包名）的二进制类型，该方法在JDK1.2之后不再建议用户重写但用户可以直接调用该方法，loadClass()方法是ClassLoader类自己实现的，该方法中的逻辑就是双亲委派模式的实现，其源码如下，loadClass(String name, boolean resolve)是一个重载方法，resolve参数代表是否生成class对象的同时进行解析相关操作。：
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
      throws ClassNotFoundException
  {
      synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
          // 先从缓存查找该class对象，找到就不用重新加载
          Class<?> c = findLoadedClass(name);
          if (c == null) {
              long t0 = System.nanoTime();
              try {
                  if (parent != null) {
                      //如果找不到，则委托给父类加载器去加载
                      c = parent.loadClass(name, false);
                  } else {
                  //如果没有父类，则委托给启动加载器去加载
                      c = findBootstrapClassOrNull(name);
                  }
              } catch (ClassNotFoundException e) {
                  // ClassNotFoundException thrown if class not found
                  // from the non-null parent class loader
              }

              if (c == null) {
                  // If still not found, then invoke findClass in order
                  // 如果都没有找到，则通过自定义实现的findClass去查找并加载
                  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) {//是否需要在加载时进行解析
              resolveClass(c);
          }
          return c;
      }
  }
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正如loadClass方法所展示的，当类加载请求到来时，先从缓存中查找该类对象，如果存在直接返回，如果不存在则交给该类加载去的父加载器去加载，倘若没有父加载则交给顶级启动类加载器去加载，最后倘若仍没有找到，则使用findClass()方法去加载（关于findClass()稍后会进一步介绍）。从loadClass实现也可以知道如果不想重新定义加载类的规则，也没有复杂的逻辑，只想在运行时加载自己指定的类，那么我们可以直接使用this.getClass().getClassLoder.loadClass("className")，这样就可以直接调用ClassLoader的loadClass方法获取到class对象。
findClass(String) 
在JDK1.2之前，在自定义类加载时，总会去继承ClassLoader类并重写loadClass方法，从而实现自定义的类加载类，但是在JDK1.2之后已不再建议用户去覆盖loadClass()方法，而是建议把自定义的类加载逻辑写在findClass()方法中，从前面的分析可知，findClass()方法是在loadClass()方法中被调用的，当loadClass()方法中父加载器加载失败后，则会调用自己的findClass()方法来完成类加载，这样就可以保证自定义的类加载器也符合双亲委托模式。需要注意的是ClassLoader类中并没有实现findClass()方法的具体代码逻辑，取而代之的是抛出ClassNotFoundException异常，同时应该知道的是findClass方法通常是和defineClass方法一起使用的(稍后会分析)，ClassLoader类中findClass()方法源码如下：
//直接抛出异常
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
}
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defineClass(byte[] b, int off, int len) 
defineClass()方法是用来将byte字节流解析成JVM能够识别的Class对象(ClassLoader中已实现该方法逻辑)，通过这个方法不仅能够通过class文件实例化class对象，也可以通过其他方式实例化class对象，如通过网络接收一个类的字节码，然后转换为byte字节流创建对应的Class对象，defineClass()方法通常与findClass()方法一起使用，一般情况下，在自定义类加载器时，会直接覆盖ClassLoader的findClass()方法并编写加载规则，取得要加载类的字节码后转换成流，然后调用defineClass()方法生成类的Class对象，简单例子如下：
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
      // 获取类的字节数组
      byte[] classData = getClassData(name);  
      if (classData == null) {
          throw new ClassNotFoundException();
      } else {
          //使用defineClass生成class对象
          return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
      }
  }
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需要注意的是，如果直接调用defineClass()方法生成类的Class对象，这个类的Class对象并没有解析(也可以理解为链接阶段，毕竟解析是链接的最后一步)，其解析操作需要等待初始化阶段进行。
resolveClass(Class≺?≻ c) 
使用该方法可以使用类的Class对象创建完成也同时被解析。前面我们说链接阶段主要是对字节码进行验证，为类变量分配内存并设置初始值同时将字节码文件中的符号引用转换为直接引用。
上述4个方法是ClassLoader类中的比较重要的方法，也是我们可能会经常用到的方法。接看SercureClassLoader扩展了 ClassLoader，新增了几个与使用相关的代码源(对代码源的位置及其证书的验证)和权限定义类验证(主要指对class源码的访问权限)的方法，一般我们不会直接跟这个类打交道，更多是与它的子类URLClassLoader有所关联，前面说过，ClassLoader是一个抽象类，很多方法是空的没有实现，比如 findClass()、findResource()等。而URLClassLoader这个实现类为这些方法提供了具体的实现，并新增了URLClassPath类协助取得Class字节码流等功能，在编写自定义类加载器时，如果没有太过于复杂的需求，可以直接继承URLClassLoader类，这样就可以避免自己去编写findClass()方法及其获取字节码流的方式，使自定义类加载器编写更加简洁，下面是URLClassLoader的类图(利用IDEA生成的类图)

从类图结构看出URLClassLoader中存在一个URLClassPath类，通过这个类就可以找到要加载的字节码流，也就是说URLClassPath类负责找到要加载的字节码，再读取成字节流，最后通过defineClass()方法创建类的Class对象。从URLClassLoader类的结构图可以看出其构造方法都有一个必须传递的参数URL[]，该参数的元素是代表字节码文件的路径,换句话说在创建URLClassLoader对象时必须要指定这个类加载器的到那个目录下找class文件。同时也应该注意URL[]也是URLClassPath类的必传参数，在创建URLClassPath对象时，会根据传递过来的URL数组中的路径判断是文件还是jar包，然后根据不同的路径创建FileLoader或者JarLoader或默认Loader类去加载相应路径下的class文件，而当JVM调用findClass()方法时，就由这3个加载器中的一个将class文件的字节码流加载到内存中，最后利用字节码流创建类的class对象。请记住，如果我们在定义类加载器时选择继承ClassLoader类而非URLClassLoader，必须手动编写findclass()方法的加载逻辑以及获取字节码流的逻辑。了解完URLClassLoader后接着看看剩余的两个类加载器，即拓展类加载器ExtClassLoader和系统类加载器AppClassLoader，这两个类都继承自URLClassLoader，是sun.misc.Launcher的静态内部类。sun.misc.Launcher主要被系统用于启动主应用程序，ExtClassLoader和AppClassLoader都是由sun.misc.Launcher创建的，其类主要类结构如下：

它们间的关系正如前面所阐述的那样，同时我们发现ExtClassLoader并没有重写loadClass()方法，这足矣说明其遵循双亲委派模式，而AppClassLoader重载了loadCass()方法，但最终调用的还是父类loadClass()方法，因此依然遵守双亲委派模式，重载方法源码如下：
/**
  * Override loadClass 方法，新增包权限检测功能
  */
public Class loadClass(String name, boolean resolve)
     throws ClassNotFoundException
{
     int i = name.lastIndexOf('.');
     if (i != -1) {
         SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
         if (sm != null) {
             sm.checkPackageAccess(name.substring(0, i));
         }
     }
     //依然调用父类的方法
     return (super.loadClass(name, resolve));
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其实无论是ExtClassLoader还是AppClassLoader都继承URLClassLoader类，因此它们都遵守双亲委托模型，这点是毋庸置疑的。ok~，到此我们对ClassLoader、URLClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader以及Launcher类间的关系有了比较清晰的了解，同时对一些主要的方法也有一定的认识，这里并没有对这些类的源码进行详细的分析，毕竟没有那个必要，因为我们主要弄得类与类间的关系和常用的方法同时搞清楚双亲委托模式的实现过程，为编写自定义类加载器做铺垫就足够了。ok~，前面出现了很多父类加载器的说法，但每个类加载器的父类到底是谁，一直没有阐明，下面我们就通过代码验证的方式来阐明这答案。
类加载器间的关系
我们进一步了解类加载器间的关系(并非指继承关系)，主要可以分为以下4点
启动类加载器，由C++实现，没有父类。
拓展类加载器(ExtClassLoader)，由Java语言实现，父类加载器为null
系统类加载器(AppClassLoader)，由Java语言实现，父类加载器为ExtClassLoader
自定义类加载器，父类加载器肯定为AppClassLoader。
下面我们通过程序来验证上述阐述的观点
/**
* Created by zejian on 2017/6/18.
* Blog : http://blog.csdn.net/javazejian [原文地址,请尊重原创]
*/
//自定义ClassLoader，完整代码稍后分析
class FileClassLoader extends  ClassLoader{
    private String rootDir;

    public FileClassLoader(String rootDir) {
        this.rootDir = rootDir;
    }
    // 编写获取类的字节码并创建class对象的逻辑
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
       //...省略逻辑代码
    }
    //编写读取字节流的方法
    private byte[] getClassData(String className) {
        // 读取类文件的字节
        //省略代码....
    }
}

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {

             FileClassLoader loader1 = new FileClassLoader(rootDir);

              System.out.println("自定义类加载器的父加载器: "+loader1.getParent());
              System.out.println("系统默认的AppClassLoader: "+ClassLoader.getSystemClassLoader());
              System.out.println("AppClassLoader的父类加载器: "+ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent());
              System.out.println("ExtClassLoader的父类加载器: "+ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent().getParent());

            /**
            输出结果:
                自定义类加载器的父加载器: sun.misc.Launcher$AppClassLoader@29453f44
                系统默认的AppClassLoader: sun.misc.Launcher$AppClassLoader@29453f44
                AppClassLoader的父类加载器: sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@6f94fa3e
                ExtClassLoader的父类加载器: null
            */

    }
}

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