Java ClassLoader 体系结构（一）

ClassLoader
类加载器（class loader）用来加载 Java 类到 Java 虚拟机中。Java 源程序（.java 文件）在经过 Java 编译器编译之后就被转换成 Java 字节代码（.class 文件）。类加载器负责读取 Java 字节代码，并转换成 java.lang.Class 类的一个实例。

 

ClassLoader Hierarchy
JVM在加载类时，使用的是双亲委托模式(delegation model)，也就是说除了Bootstrap ClassLoader之外，每个ClassLoader都有一个Parent ClassLoader。ClassLoader是按需进行加载class文件。当ClassLoader试图加载一个类时，首先检查本地缓冲，查看类是否已被加载，如果类没有被加载，尝试委托给父ClassLoader进行加载，如果父ClassLoader加载失败，才会由该ClassLoader进行加载，从而避免了重复加载的问题。

 

jvm classLoader architecture：

1. Bootstrap ClassLoader/启动类加载器 
   主要负责jdk_home/lib目录下的核心 api 或 -Xbootclasspath 选项指定的jar包装入工作。
2. Extension ClassLoader/扩展类加载器 
   主要负责jdk_home/lib/ext目录下的jar包或 -Djava.ext.dirs 指定目录下的jar包装入工作。
3. System ClassLoader/系统类加载器 
   主要负责java -classpath/-Djava.class.path所指的目录下的类与jar包装入工作。
4. User Custom ClassLoader/用户自定义类加载器(java.lang.ClassLoader的子类) 
   在程序运行期间, 通过java.lang.ClassLoader的子类动态加载class文件, 体现java动态实时类装入特性。

 

类加载器的特性：

1. 每个ClassLoader都维护了一份自己的名称空间， 同一个名称空间里不能出现两个同名的类。
2. 为了实现java安全沙箱模型顶层的类加载器安全机制, java默认采用了 " 双亲委派的加载链 " 结构。

classloader-architecture

classloader-class-diagram

类图中， BootstrapClassLoader是一个单独的java类， 其实在这里， 不应该叫他是一个java类。因为，它已经完全不用java实现了。它是在jvm启动时， 就被构造起来的， 负责java平台核心库。

 

自定义类加载器加载一个类的步骤

classloader-load-class

 

ClassLoader 类加载逻辑分析， 以下逻辑是除 BootstrapClassLoader 外的类加载器加载流程：

 

// 检查类是否已被装载过
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null ) {
     // 指定类未被装载过
     try {
         if (parent != null ) {
             // 如果父类加载器不为空， 则委派给父类加载
             c = parent.loadClass(name, false );
         } else {
             // 如果父类加载器为空， 则委派给启动类加载加载
             c = findBootstrapClass0(name);
         }
     } catch (ClassNotFoundException e) {
         // 启动类加载器或父类加载器抛出异常后， 当前类加载器将其
         // 捕获， 并通过findClass方法， 由自身加载
         c = findClass(name);
     }
}

线程上下文类加载器

java默认的线程上下文类加载器是 系统类加载器(AppClassLoader)。

 

// Now create the class loader to use to launch the application
try {
    loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
} catch (IOException e) {
    throw new InternalError(
"Could not create application class loader" );
}

// Also set the context class loader for the primordial thread.
Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);

以上代码摘自sun.misc.Launch的无参构造函数Launch()。

使用线程上下文类加载器, 可以在执行线程中, 抛弃双亲委派加载链模式, 使用线程上下文里的类加载器加载类.
典型的例子有, 通过线程上下文来加载第三方库jndi实现, 而不依赖于双亲委派.
大部分java app服务器(jboss, tomcat..)也是采用contextClassLoader来处理web服务。
还有一些采用 hotswap 特性的框架, 也使用了线程上下文类加载器, 比如 seasar (full stack framework in japenese).

线程上下文从根本解决了一般应用不能违背双亲委派模式的问题.
使java类加载体系显得更灵活.

随着多核时代的来临, 相信多线程开发将会越来越多地进入程序员的实际编码过程中. 因此,
在编写基础设施时， 通过使用线程上下文来加载类, 应该是一个很好的选择。

当然, 好东西都有利弊. 使用线程上下文加载类, 也要注意, 保证多根需要通信的线程间的类加载器应该是同一个,
防止因为不同的类加载器, 导致类型转换异常(ClassCastException)。

 

为什么要使用这种双亲委托模式呢？

1. 因为这样可以避免重复加载，当父亲已经加载了该类的时候，就没有必要子ClassLoader再加载一次。
2. 考虑到安全因素，我们试想一下，如果不使用这种委托模式，那我们就可以随时使用自定义的String来动态替代java核心api中定义类型，这样会存在非常大的安全隐患，而双亲委托的方式，就可以避免这种情况，因为String已经在启动时被加载，所以用户自定义类是无法加载一个自定义的ClassLoader。

java动态载入class的两种方式：

1. implicit隐式,即利用实例化才载入的特性来动态载入class
2. explicit显式方式,又分两种方式:
   1. java.lang.Class的forName()方法
   2. java.lang.ClassLoader的loadClass()方法

用Class.forName加载类

Class.forName使用的是被调用者的类加载器来加载类的。
这种特性, 证明了java类加载器中的名称空间是唯一的, 不会相互干扰。
即在一般情况下, 保证同一个类中所关联的其他类都是由当前类的类加载器所加载的。

public static Class forName(String className)
     throws ClassNotFoundException {
     return forName0(className, true , ClassLoader.getCallerClassLoader());
}

/** Called after security checks have been made. */
private static native Class forName0(String name, boolean initialize,
ClassLoader loader)
     throws ClassNotFoundException;

上面中 ClassLoader.getCallerClassLoader 就是得到调用当前forName方法的类的类加载器

static块在什么时候执行?

• 当调用forName(String)载入class时执行,如果调用ClassLoader.loadClass并不会执行.forName(String,false,ClassLoader)时也不会执行.
• 如果载入Class时没有执行static块则在第一次实例化时执行.比如new ,Class.newInstance()操作
• static块仅执行一次

各个java类由哪些classLoader加载?

• java类可以通过实例.getClass.getClassLoader()得知
• 接口由AppClassLoader(System ClassLoader,可以由ClassLoader.getSystemClassLoader()获得实例)载入
• ClassLoader类由bootstrap loader载入

NoClassDefFoundError和ClassNotFoundException

• NoClassDefFoundError:当java源文件已编译成.class文件,但是ClassLoader在运行期间在其搜寻路径load某个类时,没有找到.class文件则报这个错
• ClassNotFoundException:试图通过一个String变量来创建一个Class类时不成功则抛出这个异常

参考：

• 重温java之classloader体系结构（含hotswap）
• classloader相关基础知识

其它相关 classloader：

• [笔记]类加载器
• 深入了解Java ClassLoader、Bytecode 、ASM、cglib
• 解读ClassLoader

 

 

要理类加载体系结构，就必须清楚如下几点比较基本的原则。(下面类加载器 简写为cl（classLoader）)

1. cl是一种父子树形结构（注：这里不是指类继承的父子关系）

2. 父cl无法看到子cl加载的类

3、虚拟机遵守双亲委托加载原则，即任何子cl必须首先委托父cl先加载需要的类，当父cl加载不到时再由子cl亲自加载(这是一个递归过程，即父cl如果还有父cl2，那么父cl又委托给父cl2，依次类推，直到根为止，如果父cl已经加载过需要的类cl，则子cl直接使用即可)
4、全盘负责：一个classloader加载一个class后，这个class所引用或者依赖的类也由这个classloader载入，除非显示的用另一个classloader载入
5、类在虚拟机中的标志出来是 : cl实例号+包名+类名，因此不同的cl实例加载相同的类在虚拟机中表现出来是不同的。这就是为什么多个cl加载同一个类有时候会出现转换异常的ClassCastException的原因

 

http://blog.chenlb.com/2009/06/java-classloader-architecture.html