java基础中一些值得聊的话题（加载篇）

时间：2021-03-18 17:38:55

   在开始java的类加载旅程之前，可以先参考这里了解一些类加载器在tomcat中的应用。

   在最初执行java这个命令时，便会调用ClassLoader的getSystemClassLoader方法去显式或者隐式的加载main方法所在的类及其所引用的类。getSystemClassLoader会返回AppClassLoader，后者是URLClassLoader的一个子类。

   所以，最初的一个问题是：先有鸡还是先有蛋的问题，因为ClassLoader的整套体系是打包在jre/lib/rt.jar中的。只有rt.jar先被加载进来，才能够加载别的类；但是rt.jar又是被谁加载的呢？自然就是大名鼎鼎的BootstrapClassLoader。它就是'鸡'。所以严格来讲，BootStrapClassLoader并不是整个体系中的一部分（可以用-Xbootclasspath指定bootstrap加载的位置）。

   当rt.jar被加载进来后，ClassLoader会调用getSystemClassLoader，其中最重要的一步就是初始化Launcher，ExtClassLoader以及AppClassLoader，另外就是将ContextClassLoader设为AppClassLoader。ExtClassLoader与AppClassLoader都是URLClassLoader的子类，分别会加载java.ext.dirs和java.class.path路径下的jar资源，前者一般指向jre/lib/ext下的所有jar，后者就是我们经常念叨的classpath。区分这两个ClassLoader的主要目的是，让他们形成层级关系，ExtClassLoader为AppClassLoader的父ClassLoader，有了层级关系，便可随意使用双亲委托模型了。

ClassLoader extcl;
        try {
            extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create extension class loader");
        }

        // 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);
   接下来一个比较重要的问题是 ClassLoader究竟干了什么？通常我们只知道它加载了一个类进了jvm，但是具体做了什么呢？

   java设计者把classloader加载一个类的过程分为4步：第一步，从某个地方得到我们想要的字节码二进制流；第二步，读入字节码流并转化为Class；第三步，链接；第四步，初始化。其中，第二步一般比较固定，因此ClassLoader提供了defineClass来完成这步；

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,
                                         ProtectionDomain protectionDomain)
        throws ClassFormatError
    {
        protectionDomain = preDefineClass(name, protectionDomain);

        Class c = null;
        String source = defineClassSourceLocation(protectionDomain);

        try {
            c = defineClass1(name, b, off, len, protectionDomain, source);
        } catch (ClassFormatError cfe) {
            c = defineTransformedClass(name, b, off, len, protectionDomain, cfe,
                                       source);
        }

        postDefineClass(c, protectionDomain);
        return c;
    }
  而ClassLoader提供了另一个方法findClass来完成第一步及第二步，即从某个地方读入类的二进制流，然后调用defineClass返回Class 

protected Class<?> findClass(final String name)
         throws ClassNotFoundException
  ClassLoader提供了resolveClass方法完成第三步链接的工作。 
protected final void resolveClass(Class<?> c)

  除非特殊需要，否则尽量重载findClass而不是loadClass。

  loadClass是java1.0就存在的类，为了增强可扩展性，将findClass和resolveClass封装到了loadClass中，一般我们只需要定义类的加载路径，因此仅需覆盖findClass。

  通常我们显示加载类一般会用到ClassLoader.loadClass, Class.forName，他们的区别见 这里

  resolveClass做了什么？

  resolveClass最终调用了一个本地方法做link，这里的link主要做了这么几步事情：1. 验证Class以确保类装载器格式和行为正确；2.准备后续步骤所需的数据结构；3.解析所引用的其他类。关于这些内容的具体细节，请参考这里http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17881581

  ClassNotFoundException, NoClassDefFoundError, ClassCastException常见问题

  ClassNotFoundException一般发生在显式类加载；NoClassDefFoundError一般发生在隐式加载；ClassCastException一般发生在jar包冲突，比如某个jar包已经被更上层的加载器加载了，但你却要求他强制转为下层加载器加载的同名类；


  接下来讲讲链接的相关知识。

  为什么会发明链接器？

  最初程序员写程序都在一个文件里，随着程序规模的增加，逐渐发现越来越难以维护，扩展。于是，分多个文件和模块就成为必然。

  但是文件间必然相互调用，这就带来了另一个问题：文件A引用了B的某个变量或方法，但是运行时A并不知道他们在内存中的位置。于是人们发明了链接，这种方式会在编译阶段将需要引用的变量或者方法作个记号，这时形成A.o和B.o两个目标文件；通过ld链接器的链接，会将B中变量或方法的地址重新修改A的记号最终形成一个可执行文件，实际上就是把A和B合在一起工作了。

   这种方式就是静态链接。

   但是静态链接有个问题，比如A需要B模块的方法，C需要B模块的变量，D需要B模块的方法……如此一来，当我们编译为A, C, D几个可执行文件时，他们都会在内存中引用B，即B在内存中有多份拷贝。这带来很多问题：首先浪费了内存；其次修改了B模块需要重新修改并发布A, C, D几个可执行文件，这是非常不方便的；于是动态链接的一个思想是在A, C, D调用时再确定记号的地址，而B则通过延迟加载的方式按需加载到内存（如果已经加载则不再重复）。这样一来，内存中总是只有一份B的拷贝，解决了上面的问题。java的类加载机制即是这种灵活的方式。

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