最近在學習 Tomcat 架構，其中很重要的一個模組是類載入器，因為以前學習的不夠深入，所以趁這個機會好好把類載入機制搞明白。

概述

類載入器主要分為兩類，一類是 JDK 預設提供的，一類是使用者自定義的。 JDK 預設提供三種類載入器：

Bootstrap ClassLoader 啟動類載入器：每次執行 java 命令時都會使用該載入器為虛擬機器載入核心類。該載入器是由 native code 實現，而不是 Java 程式碼，載入類的路徑為 /jre/lib。特別的 /jre/lib/rt.jar 中包含了 sun.misc.Launcher 類， 而 sun.misc.Launcher$ExtCla$

Extension ClassLoader, 拓展類載入器：用於載入拓展庫中的類。拓展庫路徑為 /jre/lib/ext/。實現類為 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader

SystemClassLoader系統類載入器：用於載入 CLASSPATH 中的類。實現類為 sun.misc.Launcher$AppClassLoader

使用者自定義的類載入器

Custom ClassLoader, 一般都是 java.lang.ClassLoder 的子類

正統的類載入機制是基於雙親委派的，也就是當呼叫類載入器載入類時，首先將載入任務委派給雙親，若雙親無法載入成功時，自己才進行類載入。

在例項化一個新的類載入器時，我們可以為其指定一個 parent，即雙親，若未顯式指定，則 System ClassLoader 就作為預設雙親。

具體的說，類載入任務是由 ClassLoader 的 loadClass() 方法來執行的，他會按照以下順序載入類：

通過 findLoadedClass() 看該類是否已經被載入。該方法為 native code 實現，若已載入則返回。

若未載入則委派給雙親，parent.loadClass()，若成功則返回。

若未成功，則呼叫 findClass() 方法載入類。java.lang.ClassLoader 中該方法只是簡單的丟擲一個 ClassNotFoundException 所以，自定義的 ClassLoader 都需要 Override findClass() 方法。

類載入API

java.lang.ClassLoader

ClassLoader 是一個抽象類。

待載入的類必須用 The Java™ Language Specification 定義的全類名，全類名的定義請查閱 The Form of a Binary。

給定一個全類名，類載入器應該去定位該類所在的位置。通用的策略是將全類名轉換為類檔案路徑，然後通過類檔案路徑在檔案系統中定位。

每一個載入到記憶體的類都由一個 Class 物件來表示，每一個 Class 物件都有一個指向載入該類的類載入器的引用。但是陣列的 Class 物件是由 Java 執行時環境建立的，通過 Class.getClassLoader() 方法返回的是陣列元素的類載入器，若陣列元素是基本型別，則返回 null，若類是由 Bootstrap ClassLoader 載入的話也是返回 null。

public class Main {

   public static void main(String[] args) {

      // Object 類在 <java_home>/jre/lib/rt.jar 中，

      // 由 Bootstrap ClassLoader 載入，由於該類載入器是由 native code 編寫

       // 所以輸出為 null

      Object[] objects = new Object[5];

   System.out.println();

    System.out.println(objects.getClass().getClassLoader());

   // ZipFileAttributes 類在 <java_home>/jre/lib/ext/zipfs.jar 中，

       // 由 Extension ClassLoader 載入，

      // 輸出為  [email protected]

       ZipFileAttributes[] attributes = new ZipFileAttributes[5];

      System.out.println();

       System.out.println(attributes.getClass().getClassLoader());

     // Main 類是自定義的類，

      // 預設由 System ClassLoader 載入，

        // 輸出為 [email protected]

     Main[] array = new Main[5];

      array[0] = new Main();

     System.out.println();

      System.out.println(array.getClass().getClassLoader());

  }

}

ClassLoader 預設支援並行載入，但是其子類必須呼叫 ClassLoader.registerAsParallelCapable() 來啟用並行載入

一般來說,JVM 從本地檔案系統載入類的行為是與平臺有關的。

defineClass() 方法可以將位元組流轉換成一個 Class 物件。然後呼叫 Class.newInstance() 來建立類的例項

java.security.SecureClassLoader

增加了一層許可權驗證，因為關注點不在安全，所以暫不討論。

java.net.URLClassLoader

該類載入器用來載入 URL 指定的 JAR 檔案或目錄中的類和資源，以 / 結尾的 URL 認為是目錄，否則認為是 JAR 檔案。

// 嘗試通過 URLClassLoader 來載入桌面下的 Test 類。

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:  [email protected]

            System.out.println(testClass.getClassLoader());

        } catch (MalformedURLException e) {

            e.printStackTrace();

        } catch (IOException e) {

            e.printStackTrace();

        } catch (ClassNotFoundException e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

}

Tomcat 8.5.15類載入機制

Tomcat 使用正統的類載入機制(雙親委派),但部分地方做了改動。

Bootstrap classLoader 和 Extension classLoader 的作用不變。

System classLoader 正常情況下載入的是 CLASSPATH 下的類，但是 Tomcat 的啟動指令碼並未使用該變數，而是從以下倉庫下載入類：

$CATALINA_HOME/bin/bootstrap.jar 包含了 Tomcat 的啟動類。在該啟動類中建立了 Common classLoader、Catalina classLoader、shared classLoader。因為 $CATALINA_BASE/conf/catalina.properties 中只對 common.loader 屬性做了定義，server.loader 和 shared.loader 屬性為空，所以預設情況下，這三個 classLoader 都是 CommonLoader。具體的程式碼邏輯可以查閱 org.apache.catalina.startup.Bootstrap 類的 initClassLoaders() 方法和 createClassLoader() 方法。

$CATALINA_BASE/bin/tomcat-juli.jar 包含了 Tomcat 日誌模組所需要的實現類。

$CATALINA_HOME/bin/commons-daemon.jar。

Common classLoader 是位於 Tomcat 應用伺服器頂層的公用類載入器。由其載入的類可以由 Tomcat 自身類和所有應用程式使用。掃描路徑由 $CATALINA_BASE/conf/catalina.properties 檔案中的 common.loader 屬性定義。預設是 $CATALINA_HOME/lib。

catalina classLoader 用於載入伺服器內部可見類，這些類應用程式不能訪問。

shared classLoader 用於載入應用程式共享類，這些類伺服器不會依賴。

Webapp classLoader 。每個應用程式都會有一個獨一無二的 webapp classloader，他用來載入本應用程式 /WEB-INF/classes 和 /WEB-INF/lib 下的類。

特別的：

Webapp classLoader 的預設行為會與正常的雙親委派模式不同：

從 Bootstrap classloader 載入。

若沒有，從 /WEB-INF/classes 載入。

若沒有，從 /WEB-INF/lib/*.jar 載入。

若沒有，則依次從 System、Common、shared 載入（該步驟使用雙親委派）。

當然了，我們也可以通過配置來使 Webapp classLoader 嚴格按照雙親委派模式載入類：

通過在工程的 META-INF/context.xml（和 WEB-INF/classes 在同一目錄下） 配置檔案中新增

因為 Webapp classLoader 的實現類是 org.apache.catalina.loader.WebappLoader，他有一個屬性叫 delegate， 用來控制類載入器的載入行為，預設為 false，我們可以使用 set 方法，將其設為 true 來啟用嚴格雙親委派載入模式。

嚴格雙親委派模式載入步驟：

從 Bootstrap classloader 載入。

若沒有，則依次從 System、Common、shared 載入。

若沒有，從 /WEB-INF/classes 載入。

若沒有，從 /WEB-INF/lib/*.jar 載入。

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