Java虚拟机学习 - 类加载器(ClassLoader)

类加载器

类加载器(ClassLoader)用来加载 class字节码到 Java 虚拟机中。一般来说，Java 虚拟机使用 Java 类的方式如下：Java 源文件在经过 Javac之后就被转换成 Java 字节码文件(.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。每一个这样的实例用来表示一个 Java 类。实际的情况可能更加复杂，比如 Java 字节代码可能是通过工具动态生成的，也可能是通过网络下载。

类与类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。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一同确立其在Java虚拟中的唯一性。说通俗一些，比较两个类是否“相等”，只有在两个类是由同一个类加载器的前提之下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个class文件，只要加载它的类加载器不同，那这两个类必定不相等。这里所指的“相等”包括代表类的Class对象的equal方法、isAssignableFrom()、isInstance()方法及instance关键字返回的结果。

类加载器分类：

主要分为Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader、Application ClassLoader和User Defined ClassLoader。

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：

这个类加载器使用C++语言实现，并非ClassLoader的子类。主要负责加载存放在JAVA_HOME /  jre /  lib / rt.jar里面所有的class文件，或者被-Xbootclasspath参数所指定路径中以rt.jar命名的文件。

扩展类加载器(Extension ClassLoader)：

这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载AVA_HOME /  lib / ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库。

应用程序类加载器(Application ClassLoader)：

这个加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现，它负责加载classpath对应的jar及目录。一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

自定义类加载器(User Defined ClassLoader)：

开发人员继承ClassLoader抽象类自行实现的类加载器，基于自行开发的ClassLoader可用于并非加载classpath中(例如从网络上下载的jar或二进制字节码)、还可以在加载class文件之前做些小动作 如：加密等。

双亲委托模型：

上图中所展示的类加载器之间的这种层次关系，就称为类加载器的双亲委托模型。双亲委托模型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。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现，而是使用组合关系来复用父加载器的代码。

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1. public abstract class ClassLoader {  
2.   
3.     private static native void registerNatives();  
4.     static {  
5.         registerNatives();  
6.     }  
7.   
8.     // The parent class loader for delegation  
9.     private ClassLoader parent;  
10.   
11.     // Hashtable that maps packages to certs  
12.     private Hashtable package2certs = new Hashtable(11);  
13. }  

双亲委托的工作过程：如果一个类加载器收到了一个类加载请求，它首先不会自己去加载这个类，而是把这个请求委托给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父类加载器反馈自己无法完成加载请求(它管理的范围之中没有这个类)时，子加载器才会尝试着自己去加载。

使用双亲委托模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是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，例如java.lang.Object存放在rt.jar之中，无论那个类加载器要加载这个类，最终都是委托给启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类，相反，如果没有双亲委托模型，由各个类加载器去完成的话，如果用户自己写一个名为java.lang.Object的类，并放在classpath中，应用程序中可能会出现多个不同的Object类，java类型体系中最基本安全行为也就无法保证。

类加载器SPI：

java.lang.ClassLoader 类提供的几个关键方法：

loadClass： 此方法负责加载指定名字的类，首先会从已加载的类中去寻找，如果没有找到；从parent ClassLoader[ExtClassLoader]中加载；如果没有加载到，则从Bootstrap ClassLoader中尝试加载(findBootstrapClassOrNull方法), 如果还是加载失败，则抛出异常ClassNotFoundException, 在调用自己的findClass方法进行加载。如果要改变类的加载顺序可以覆盖此方法；如果加载顺序相同，则可以通过覆盖findClass方法来做特殊处理，例如：解密，固定路径寻找等。当通过整个寻找类的过程仍然未获取Class对象，则抛出ClassNotFoundException异常。

如果类需要resolve，在调用resolveClass进行链接。

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1.    protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)  
2. throws ClassNotFoundException  
3.    {  
4. // First, check if the class has already been loaded  
5. Class c = findLoadedClass(name);  
6. if (c == null) {  
7.     try {  
8.     if (parent != null) {  
9.         c = parent.loadClass(name, false);  
10.     } else {  
11.         c = findBootstrapClassOrNull(name);  
12.     }  
13.     } catch (ClassNotFoundException e) {  
14.                // ClassNotFoundException thrown if class not found  
15.                // from the non-null parent class loader  
16.            }  
17.            if (c == null) {  
18.         // If still not found, then invoke findClass in order  
19.         // to find the class.  
20.         c = findClass(name);  
21.     }  
22. }  
23. if (resolve) {  
24.     resolveClass(c);  
25. }  
26. return c;  
27.    }  

findLoadedClass 此方法负责从当前ClassLoader实例对象的缓存中寻找已加载的类，调用的为native方法。

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1. protected final Class<?> findLoadedClass(String name) {  
2. (!checkName(name))  
3.  return null;  
4. urn findLoadedClass0(name);  
5. }  
6.   
7. private native final Class findLoadedClass0(String name);  

findClass 此方法直接抛出ClassNotFoundException异常，因此要通过覆盖loadClass或此方法来以自定义的方式加载相应的类。

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1. protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {  
2. ow new ClassNotFoundException(name);  
3. }  

findSystemClass  此方法是从sun.misc.Launcher$AppClassLoader中寻找类，如果未找到，则继续从BootstrapClassLoader中寻找，如果仍然未找到，返回null

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1.    protected final Class<?> findSystemClass(String name)  
2. throws ClassNotFoundException  
3.    {  
4. ClassLoader system = getSystemClassLoader();  
5. if (system == null) {  
6.     if (!checkName(name))  
7.     throw new ClassNotFoundException(name);  
8.            Class cls = findBootstrapClass(name);  
9.            if (cls == null) {  
10.                throw new ClassNotFoundException(name);  
11.            }   
12.     return cls;  
13. }  
14. return system.loadClass(name);  
15.    }  

defineClass 此方法负责将二进制字节流转换为Class对象，这个方法对于自定义类加载器而言非常重要。如果二进制的字节码的格式不符合jvm class文件格式规范，则抛出ClassFormatError异常；如果生成的类名和二进制字节码不同，则抛出NoClassDefFoundError；如果加载的class是受保护的、采用不同签名的，或者类名是以java.开头的，则抛出SecurityException异常。

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1. protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,  
2.                      ProtectionDomain protectionDomain)  
3.     throws ClassFormatError  
4.     {  
5.          return defineClassCond(name, b, off, len, protectionDomain, true);  
6.     }  
7.   
8.     // Private method w/ an extra argument for skipping class verification  
9.     private final Class<?> defineClassCond(String name,  
10.                                            byte[] b, int off, int len,  
11.                                            ProtectionDomain protectionDomain,  
12.                                            boolean verify)  
13.         throws ClassFormatError  
14.     {  
15.     protectionDomain = preDefineClass(name, protectionDomain);  
16.   
17.     Class c = null;  
18.         String source = defineClassSourceLocation(protectionDomain);  
19.   
20.     try {  
21.         c = defineClass1(name, b, off, len, protectionDomain, source,  
22.                              verify);  
23.     } catch (ClassFormatError cfe) {  
24.         c = defineTransformedClass(name, b, off, len, protectionDomain, cfe,  
25.                                        source, verify);  
26.     }  
27.   
28.     postDefineClass(c, protectionDomain);  
29.     return c;  
30.     }  

resolveClass 此方法负责完成Class对象的链接，如果链接过，则直接返回。

常见异常：

ClassNotFoundException  这是最常见的异常，产生这个异常的原因为在当前的ClassLoader 中加载类时，未找到类文件，

NoClassDefFoundError  这个异常是因为  加载到的类中引用到的另外类不存在，例如要加载A，而A中盗用了B，B不存在或当前的ClassLoader无法加载B，就会抛出这个异常。

LinkageError 该异常在自定义ClassLoader的情况下更容易出现，主要原因是此类已经在ClassLoader加载过了，重复的加载会造成该异常。