深入浅出Java的类加载机制

Java只有当需要使用类的时候,才会将类载入。java类的载入,是通过类加载器进行的。

在命令模式下,执行java ***指令之后,java程序会找到JRE安装的所在目录,然后找到jvm.dll,通过他启动JVM并进行虚拟机的初始化的操作。
JVM启动并初始化完成之后,就会产生Bootstrap Loader这个类加载器,这个类加载器通常是c或c++写的。Bootstrap Loader随后又会继续载入Extended Loader这个类加载器,并且设定Extended Loader的父加载器为自己Bootstrap Loader。接着Bootstrap Loader继续载入System Loader,并且将System Loader的parent设定为Extended Loader。

Bootstrap Loader通常由C语言写成;Extended Loader是由Java所成,如果是Sun JDK,实际是对应sun.misc.Launcher$ExtClassLoader(Launcher中的內部类别);System Loader是由Java成,實際对应于sun.misc. Launcher$AppClassLoader(Launcher中的內部类别)。

加载器的加载过程如下图描述:

image.png

Bootstrap Loader加载器进行类加载时会搜索sun.boot.class.path中指定位置中的类,一般预设路径是在JRE所在目录的classes下之.class文件,或者lib目录下.jar档案中(例如rt.jar)中的类载入。可以使用System.getProperty("sun.boot.class.path")来获取sun.boot.class.path中指定的路径,例如在我的笔记本中显示的是以下的路径:

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\resources.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\rt.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\sunrsasign.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\jsse.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\jce.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\charsets.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\jfr.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\classes

我们解压rt.jar看下里面到底是哪些class

image.png
image.png

我们可以很熟悉这个结构了,可以确认Bootstrap Loader类加载器加载的基本是java api的内容,基础类库都在这里。

Extended Loader(sun.misc.Launcher$ExtClassLoader)是由Java写的,会搜索java.ext.dirs中 指定位置的类,一般初始设定是JRE目录下的lib\ext\classes目录下的.class,或lib\ext目录下的.jar包中的类。可以使用System.getProperty("java.ext.dirs")來显示java.ext.dirs中指定的路径,例如在我的笔记本中显示的是以下的路径:

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\ext
C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

正如这个加载器的名字所示,它主要负责java的一些扩展类库。

System Loader(sun.misc.Launcher$AppClassLoader)是由Java写的,会查找系統参数java.class.path中指定位置中的类,也就是Classpath所指定的路径,初始设定是目前工作路径下的.class类。可以使用System.getProperty("java.class.path")來显示java.class.path中指定的路径,在使用java执行java程序时,也可以加上-cp來覆盖原有的Classpath设置。

例如,我们编写一个简单的java程序输出系统加载器的路径:

package ClassLoader;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));

    }

}

image.png

我们发现系统加载器会去加载当前程序project所在的class路径。

我们来总结一下类加载器载入类的过程。

  • Bootstrap Loader会在JVM启动和初始化之后产生
  • 随后它会载入Extended Loader并将其parent设为Bootstrap Loader
  • 然后Bootstrap Loader再载入System Loader并将其parent设定为ExtClassLoader
  • 接着System Loader开始载入您指定的类

在载入类时,每个类载入器会先将载入类的任务交由他的parent去执行,如果parent找不到,才由转到由自己载入, 所以在载入类时,会以Bootstrap Loader→Extended Loader→System Loader的顺序来寻找类,如果都找不到,就会丟出 NoClassDefFoundError。

类别载入器在Java中是以java.lang.ClassLoader类型存在, 每一個类被载入后,都会有一个Class的实例來代表这个类,而每个由这个类生成的实例都会记得自己是由哪个ClassLoader载入的,java中提供了getclass方法可以从实例获取它的class实例,然后可以由Class的 getClassLoader()获得载入该类的ClassLoader,而从ClassLoader的getParent()方法可以取得自己的 parent。

假如我们有一个someclass类,那么类别载入器之间的关系是:

image.png

我们可以写个程序来获取载入器的信息

// 取得SomeClass的Class實例
    Class c = Class.forName("SomeClass");
    // 取得ClassLoader
    ClassLoader loader = c.getClassLoader();
    System.out.println(loader);
    // 取得父ClassLoader
    System.out.println(loader.getParent());
    // 再取得父ClassLoader
    System.out.println(loader.getParent().getParent());

所展示的结果是:

sun.misc.Launcher\$AppClassLoader@19821f
sun.misc.Launcher\$ExtClassLoader@addbf1
null

SomeClass 是个自定义的类,你在目前的工作目录下执行java程序,首先AppClassLoader会将载入的任务交给ExtClassLoader,而 ExtClassLoader会将载入的类交给Bootstrap Loader,由于Bootstrap Loader在它的路径设定(sun.boot.class.path)下找不到类,所以由ExtClassLoader来寻找,而 ExtClassLoader在它的的路径中(java.ext.dirs)下也找不到该类,所以由AppClassLoader来寻找, AppClassLoader最后在Classpath(java.class.path)设定的路径寻找载入的类,并且找到了,如果还没找到就会抛出classnotfoundexception。

载入 SomeClass的ClassLoader是AppClassLoader,而AppClassLoader的parent是 ExtClassLoader,而ExtClassLoader的parent是null,null并不是表示ExtClassLoader没有设置 parent,而是因为Bootstrap Loader通常由C写的,所以在Java中并没有一个实际的类别来表示它,所以才会显示为null。

如果把SomeClass的.class文件移至JRE目录下的lib\ext\classes下,并重新执行程序,你会看到以下的信息:

sun.misc.Launcher\$ExtClassLoader@addbf1
null
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
        at Main.main(Main.java:12)

由于这次可以在extclassloader指定的路径找到,所以会有extclassloader来载入someclass的实例,而extclassloader的parent为null,指的是他的父亲是bootstraploader。

我们再实验,将class文件放到bootstraploader的目录下,也就是jre的classes目录下,那么运行结果就会如下:

null
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
        at Main.main(Main.java:10)

这次直接就可以在bootstrap中找到了所以就显示null。

** loadclass方法载入实例时,不会执行静态区域,而是会等到真正使用类来初始化实例的时候的执行 **

使用自己的类别载入器

由同一个classloader载入的类,会只有一个class对象的实例,如果同一个类是由不同的loader载入的话,就会有两个不同的classloader实例。注意这个说法。如果两个不同的类别在搜索同一个类,如果在appclassloader就搜到的话,那么class实例就只有一个。如果上面三个loader都找不到,最后在各自的classloader里找到了,class实例才会有两份。

在 不同的環境中,應用程式可能會設定自己的類別載入器,例如在Tomcat的類別載入器,會找尋Tomcat目錄中lib中的jar檔案之類別,而Web應 用程式也會從WEB-INF的lib中找尋jar檔案,以及從WEB-INF/classes中找尋.class檔,搞清楚類別載入器載入檔案的位置與順 序,遇到ClassNotFoundException或是NoClassDefFoundError時,才會知道要在哪邊確認類別檔案是否存在。

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