谈谈 Java 类加载机制

最近在学习 Tomcat 架构，其中很重要的一个模块是类加载器，因为以前学习的不够深入，所以趁这个机会好好把类加载机制搞明白。

概述

类加载器主要分为两类，一类是 JDK 默认提供的，一类是用户自定义的。 JDK 默认提供三种类加载器：

1. Bootstrap ClassLoader  启动类加载器 ：每次执行  java  命令时都会使用该加载器为虚拟机加载核心类。该加载器是由  native code  实现，而不是 Java 代码，加载类的路径为  <JAVA_HOME>/jre/lib 。特别的  <JAVA_HOME>/jre/lib/rt.jar  中包含了  sun.misc.Launcher  类， 而  sun.misc.Launcher$ExtClassLoader  和  sun.misc.Launcher$AppClassLoader  都是  sun.misc.Launcher  的内部类，所以拓展类加载器和系统类加载器都是由启动类加载器加载的。
2. Extension ClassLoader , 拓展类加载器 ：用于加载拓展库中的类。拓展库路径为  <JAVA_HOME>/jre/lib/ext/ 。实现类为  sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
3. System ClassLoader   系统类加载器： 用于加载 CLASSPATH 中的类。实现类为  sun.misc.Launcher$AppClassLoader

用户自定义的类加载器

1. Custom ClassLoader , 一般都是  java.lang.ClassLoder  的子类

正统的类加载机制是基于双亲委派的，也就是当调用类加载器加载类时，首先将加载任务委派给双亲，若双亲无法加载成功时，自己才进行类加载。

在实例化一个新的类加载器时，我们可以为其指定一个 parent ，即双亲，若未显式指定，则  System ClassLoader 就作为默认双亲。

具体的说，类加载任务是由 ClassLoader 的  loadClass() 方法来执行的，他会按照以下顺序加载类：

1. 通过  findLoadedClass()  看该类是否已经被加载。该方法为 native code 实现，若已加载则返回。
2. 若未加载则委派给双亲， parent.loadClass() ，若成功则返回。
3. 若未成功，则调用  findClass()  方法加载类。 java.lang.ClassLoader  中该方法只是简单的抛出一个  ClassNotFoundException  所以，自定义的 ClassLoader 都需要 Override  findClass()  方法。

类加载API

java.lang.ClassLoader

• ClassLoader  是一个抽象类。
• 待加载的类必须用  The Java™ Language Specification  定义的全类名，全类名的定义请查阅  The Form of a Binary 。
• 给定一个全类名，类加载器应该去定位该类所在的位置。通用的策略是将全类名转换为类文件路径，然后通过类文件路径在文件系统中定位。
• 每一个加载到内存的类都由一个 Class 对象来表示，每一个 Class 对象都有一个指向加载该类的类加载器的引用。但是数组的 Class 对象是由 Java 运行时环境创建的，通过  Class.getClassLoader()  方法返回的是数组元素的类加载器，若数组元素是基本类型，则返回  null ，若类是由  Bootstrap ClassLoader  加载的话也是返回  null。

  public class Main {
      public static void main(String[] args) {
          // Object 类在 <java_home>/jre/lib/rt.jar 中，
          // 由 Bootstrap ClassLoader 加载，由于该类加载器是由 native code 编写
          // 所以输出为 null
          Object[] objects = new Object[5];
          System.out.println();
          System.out.println(objects.getClass().getClassLoader());
  
          // ZipFileAttributes 类在 <java_home>/jre/lib/ext/zipfs.jar 中，
          // 由 Extension ClassLoader 加载，
          // 输出为  sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4b67cf4d
          ZipFileAttributes[] attributes = new ZipFileAttributes[5];
          System.out.println();
          System.out.println(attributes.getClass().getClassLoader());
  
          // Main 类是自定义的类，
          // 默认由 System ClassLoader 加载，
          // 输出为 sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
          Main[] array = new Main[5];
          array[0] = new Main();
          System.out.println();
          System.out.println(array.getClass().getClassLoader());
      }
  }

• ClassLoader  默认支持并行加载，但是其子类必须调用  ClassLoader.registerAsParallelCapable()  来启用并行加载
• 一般来说,JVM 从本地文件系统加载类的行为是与平台有关的。
• defineClass()  方法可以将字节流转换成一个  Class  对象。然后调用  Class.newInstance()  来创建类的实例

java.security.SecureClassLoader

增加了一层权限验证，因为关注点不在安全，所以暂不讨论。

java.net.URLClassLoader

该类加载器用来加载 URL 指定的 JAR 文件或目录中的类和资源，以 / 结尾的 URL 认为是目录，否则认为是 JAR 文件。

// 尝试通过 URLClassLoader 来加载桌面下的 Test 类。
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            URL[] urls = new URL[1];
            URLStreamHandler streamHandler = null;
            File classPath = new File("/home/chen/Desktop/");
            String repository = (new URL("file", null,
                    classPath.getCanonicalPath() + File.separator))
                    .toString();
            urls[0] = new URL(null, repository, streamHandler);

            ClassLoader loader = new URLClassLoader(urls);

            Class testClass = loader.loadClass("Test");

            // output:  java.net.URLClassLoader@7f31245a
            System.out.println(testClass.getClassLoader());
        } catch (MalformedURLException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}