深入JVM：（十）類載入器

摘要： 類載入器是 Java 語言的一個創新，也是 Java 語言流行的重要原因之一。它使得 Java 類可以被動態載入到 Java 虛擬機器中並執行。 類載入器（class loader） 用來載入 Java 類到 Java 虛擬機器中。一般來說，Java 虛擬機器使用 Java 類的方式如下...

類載入器是 Java 語言的一個創新，也是 Java 語言流行的重要原因之一。它使得 Java 類可以被動態載入到 Java 虛擬機器中並執行。

類載入器（class loader） 用來載入 Java 類到 Java 虛擬機器中。一般來說，Java 虛擬機器使用 Java 類的方式如下：Java 源程式（.java 檔案）在經過 Java 編譯器編譯之後就被轉換成 Java 位元組程式碼（.class 檔案）。類載入器負責讀取 Java 位元組程式碼，並轉換成 java.lang.Class類的一個例項。每個這樣的例項用來表示一個 Java 類。通過此例項的 newInstance()方法就可以創建出該類的一個物件。實際的情況可能更加複雜，比如 Java 位元組程式碼可能是通過工具動態生成的，也可能是通過網路下載的。

雙親委派模型

如果一個類載入器收到了類載入的請求，它首先不會自己去嘗試載入這個類，而是把這個請求委派給父類載入器去完成，每一個層次的類載入器都是如此，因此所有的載入請求最終都應該傳送到頂層的啟動類載入器中，只有當父載入器反饋自己無法完成這個載入請求（它的搜尋範圍中沒有找到所需的類）時，子載入器才會嘗試自己去載入。

雙親委派模型要求除了頂層的啟動類載入器外，其餘的類載入器都應當有自己的父類載入器。這裡類載入器之間的父子關係一般不會以 繼承（Inheritance） 的關係來實現，而是都使用 組合（Composition） 關係來複用父載入器的程式碼。

使用雙親委派模型來組織類載入器之間的關係，有一個顯而易見的好處就是Java類隨著它的類載入器一起具備了一種帶有優先順序的層次關係。例如類java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，無論哪一個類載入器要載入這個類，最終都是委派給處於模型最頂端的啟動類載入器進行載入，因此Object類在程式的各種類載入器環境中都是同一個類。

雙親委派模型對於保證Java程式的穩定運作很重要，但它的實現卻非常簡單，實現雙親委派的程式碼都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中，如程式碼清單7-10所示，邏輯清晰易懂：先檢查是否已經被載入過，若沒有載入則呼叫父載入器的loadClass()方法，若父載入器為空則預設使用啟動類載入器作為父載入器。如果父類載入失敗，丟擲ClassNotFoundException異常後，再呼叫自己的findClass()方法進行載入。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException {

// 先檢查類是否已經載入過
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
try {
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
//如果父類載入器丟擲ClassNotFoundException
//說明父類載入器無法完成載入請求
}

if (c == null) {
//在父類載入器無法載入的時候
//再呼叫本身的findClass方法來進行類載入
c = findClass(name);
}
}
return c;
}

Java 中的類載入器大致可以分成兩類，一類是系統提供的，另外一類則是由 Java 應用開發人員編寫的。系統提供的類載入器主要有下面三個：

啟動類載入器（Bootstrap ClassLoader）

這個類載入器負責將存放在＜JAVA_HOME＞\lib目錄中的，或者被-Xbootclasspath引數所指定的路徑中的，並且是虛擬機器識別的（僅按照檔名識別，如rt.jar，名字不符合的類庫即使放在lib目錄中也不會被載入）類庫載入到虛擬機器記憶體中。

String類就是rt.jar裡面提供的，這個類我們經常用，下面我們看下String類的類載入器是什麼。

public static void main(String[] args) {
ClassLoader cl = String.class.getClassLoader();
System.out.println(cl);
}

擴充套件類載入器（Extension ClassLoader）

這個載入器由sun.misc.Launcher $ExtClassLoader實現，它負責載入＜JAVA_HOME＞\lib\ext目錄中的，或者被java.ext.dirs系統變數所指定的路徑中的所有類庫，開發者可以直接使用擴充套件類載入器。

應用程式類載入器（Application ClassLoader）

這個類載入器由sun.misc.Launcher $App-ClassLoader實現。由於這個類載入器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也稱它為系統類載入器。它負責載入使用者類路徑（ClassPath）上所指定的類庫，開發者可以直接使用這個類載入器，如果應用程式中沒有自定義過自己的類載入器，一般情況下這個就是程式中預設的類載入器。

呼叫 ClassLoader.getSystemClassLoader（） 可以獲取該類載入器。如果沒有特別指定，則使用者自定義的任何類載入器都將該類載入器作為它的父載入器，這點通過java.lang.ClassLoader的無參建構函式可以證明，程式碼如下

public abstract class ClassLoader {
protected ClassLoader() {
this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
}
private static Void checkCreateClassLoader() {
SecurityManager security = System.getSecurityManager();
if (security != null) {
security.checkCreateClassLoader();
}
return null;
}
private static synchronized void initSystemClassLoader() {
if (!sclSet) {
if (scl != null)
throw new IllegalStateException("recursive invocation");
sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher();
if (l != null) {
Throwable oops = null;
//從launcher中獲取classloader
scl = l.getClassLoader();
try {
scl = AccessController.doPrivileged(
new SystemClassLoaderAction(scl));
} catch (PrivilegedActionException pae) {
oops = pae.getCause();
if (oops instanceof InvocationTargetException) {
oops = oops.getCause();
}
}
if (oops != null) {
if (oops instanceof Error) {
throw (Error) oops;
} else {
// wrap the exception
throw new Error(oops);
}
}
}
sclSet = true;
}
}

下面看一下Launcher中的實現：

public class Launcher {
private ClassLoader loader;
public Launcher() {
...
try {
this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
} catch (IOException var9) {
throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
}
...
}
static class AppClassLoader extends URLClassLoader {
final URLClassPath ucp = SharedSecrets.getJavaNetAccess().getURLClassPath(this);

public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader var0) throws IOException {
final String var1 = System.getProperty("java.class.path");
final File[] var2 = var1 == null ? new File[0] : Launcher.getClassPath(var1);
return (ClassLoader)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Launcher.AppClassLoader>() {
public Launcher.AppClassLoader run() {
URL[] var1x = var1 == null ? new URL[0] : Launcher.pathToURLs(var2);
return new Launcher.AppClassLoader(var1x, var0);
}
});
}
}
}

從AppClassLoader的建構函式中可以看到，通過獲得classpath載入路徑來建立應用程式載入器（看到這是不是終於知道環境變數裡的java.class.path幹嘛用的了）

另外我們寫的含有main函式的類的載入就是使用該類載入器進行載入的，證明如下：

public static void main(String[] args) {
ClassLoader cl = App2.class.getClassLoader();
System.out.println(cl);
System.out.println(cl.getParent());
}

執行結果如下。

sun.misc.Launcher$AppClassLoader
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
並且可以看出AppClassLoader的父載入器是ExtClassLoader

除了系統提供的類載入器以外，開發人員可以通過繼承 java.lang.ClassLoader類的方式實現自己的類載入器，以滿足一些特殊的需求。

自定義類載入器

其中有如下三個比較重要的方法

方法	說明
defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)	把位元組陣列 b中的內容轉換成 Java 類，該位元組陣列可以看成是二進位制流位元組組成的檔案，返回的結果是 java.lang.Class 類的例項。這個方法被宣告為 final的。
loadClass(String name)	上文中已貼出原始碼，實現了雙親委派模型，呼叫 findClass() 執行類載入動作,返回的是 java.lang.Class 類的例項。
findClass(String name)	通過傳入的類全限定名name來獲取對應的類，返回的是 java.lang.Class 類的例項，該類沒有提供具體的實現，開發者在自定義類載入器時需重用此方法，在實現此方法時需呼叫 defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) 方法。

我們可以容易地意識到自定義類載入器有以下兩種方式：

• 採用雙親委派模型 ：繼承ClassLoader類，只需重寫其的 findClass(String name) 方法，而不需重寫 loadClass(String name) 方法。
• 破壞雙親委派模型 ：繼承ClassLoader類，需要整個重寫實現了雙親委派模型邏輯的 loadClass(String name) 方法。

下面我們來實現一個自定義類載入器，用來載入儲存在檔案系統上的 Java 位元組程式碼。

public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader { 
 
private String rootDir; 
 
public FileSystemClassLoader(String rootDir) { 
this.rootDir = rootDir; 
} 
 
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
byte[] classData = getClassData(name); 
if (classData == null) { 
throw new ClassNotFoundException(); 
} 
else { 
return defineClass(name, classData, 0, classData.length); 
} 
} 
 
private byte[] getClassData(String className) { 
String path = classNameToPath(className); 
try { 
InputStream ins = new FileInputStream(path); 
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); 
int bufferSize = 4096; 
byte[] buffer = new byte[bufferSize]; 
int bytesNumRead = 0; 
while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1) { 
baos.write(buffer, 0, bytesNumRead); 
} 
return baos.toByteArray(); 
} catch (IOException e) { 
e.printStackTrace(); 
} 
return null; 
} 
 
private String classNameToPath(String className) { 
return rootDir + File.separatorChar 
+ className.replace('.', File.separatorChar) + ".class"; 
} 
}

類 FileSystemClassLoader的 findClass() 方法首先根據類的全名在硬碟上查詢類的位元組程式碼檔案（.class 檔案），然後讀取該檔案內容，最後通過 defineClass()方法來把這些位元組程式碼轉換成 java.lang.Class 類的例項。