深入理解JVM之ClassLoader

1.什么是类加载器

在编写Java程序时需要使用javac命令将.java后缀名的文件编译成.class文件，然后JVM通过执行.class文件来运行我们写的程序，那么JVM怎么才能执行.class文件呢？
这就需要类加载器了。

2.有哪几种类加载器

BootstrapClassLoader：这个类加载器可以被称为引导类加载器，它由C++语言编写，在JDK中看到的是使用native标注的方法。它负责加载jre/lib下的核心包，例如：rt.jar。
ExtClassLoader：它被称为扩展类加载器，它是由Java语言编写，用于加载jre/lib/ext目录中的包。
AppClassLoader：这个类加载器叫做应用程序类加载器，它是我们平时使用最频繁的一种类加载器，用于加载classpath下的.class文件，也就是我们自己写的程序。
自定义的类加载器：该类加载器用于加载我们指定的一些类。

3.ClassLoader之间的关系

image

3.1 类加载器创建过程

在jdk中找到sun.misc.Launcher文件，这个文件是JVM中的启动器实例，在该类内部有getLauncher()方法

public static Launcher getLauncher() {
    return launcher;
}

它返回的是launcher 实例

private static Launcher launcher = new Launcher();

在构造方法调用时会初始化 ExtClassLoader和AppClassLoader（BootstrapClassLoader会在Java虚拟机创建之后进行加载，所以是在此之前）。

public Launcher() {
    Launcher.ExtClassLoader var1;
    try {
        var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
    } catch (IOException var10) {
        throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
    }

    try {
        this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
    } catch (IOException var9) {
        throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
    }

    Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
    // 非核心的就去掉了

}

通过点击 getXxxClassLoader() 跟到最后可以看到

private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
    // 通过这行可以让加载器之间建立父子级关系
    this.parent = parent;
    if (ParallelLoaders.isRegistered(this.getClass())) {
        parallelLockMap = new ConcurrentHashMap<>();
        package2certs = new ConcurrentHashMap<>();
        assertionLock = new Object();
    } else {
        // no finer-grained lock; lock on the classloader instance
        parallelLockMap = null;
        package2certs = new Hashtable<>();
        assertionLock = this;
    }
}

注意： 我们查看ExtClassLoader时会发现这里的parent是null，而查看AppClassLoader时传入的parent是ExtClassLoader的对象实例。所以这里也就印证了上面画的图。

3.2 探究加载类的流程

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 检查目标类是否已加载，如果已加载则返回
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        // 没有加载到
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                // 当前加载器的父加载器是否存在
                if (parent != null) {
                    // 如果父加载器存在则使用父加载器进行加载
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 如果父加载器不存在就是用BootstrapClassLoader加载
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }
            
            // 如果父加载器和BootstrapClassLoader都没有加载到的话
            if (c == null) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.
                long t1 = System.nanoTime();
                // 自己进行加载
                // 这个方法默认是一个空实现，需要自己重写
                c = findClass(name);

                // this is the defining class loader; record the stats
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        // 返回已加载到的类或null
        return c;
    }
}

加载步骤：

判断当前类加载器是否已经加载目标类，如果已经加载则返回，否则使用判断是否存在父加载器
如果父加载器存在重复步骤1，直到parent == null，这时会使用 BootstrapClassLoader 加载
如果父加载器和引导类加载器都没有加载到目标类的话，就使用自己的findClass() 方法来加载目标类。

找到某个ClassLoader，这里以AppClassLoader为例

static class AppClassLoader extends URLClassLoader {

在AppClassLoader中搜索findClass()方法是找不到的，所以找到每个加载器共同的父类URLClassLoader，在这里可以看到findClass()方法。

protected Class<?> findClass(final String name)
        throws ClassNotFoundException
{
    final Class<?> result;
    try {
        result = AccessController.doPrivileged(
            new PrivilegedExceptionAction<Class<?>>() {
                public Class<?> run() throws ClassNotFoundException {
                    String path = name.replace('.', '/').concat(".class");
                    Resource res = ucp.getResource(path, false);
                    if (res != null) {
                        try {
                            return defineClass(name, res);
                        } catch (IOException e) {
                            throw new ClassNotFoundException(name, e);
                        }
                    } else {
                        return null;
                    }
                }
            }, acc);
    } catch (java.security.PrivilegedActionException pae) {
        throw (ClassNotFoundException) pae.getException();
    }
    if (result == null) {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
    return result;
}

findClass方法的作用是从指定的路径找到传入的文件名称的.class文件，并返回回去，该方法的主要逻辑在run()方法中。

4.实现自己的ClassLoader

从前面可以知道，要想实现classLoader只需要继承ClassLoader类并重写 findClass 和 loadClass 方法即可。

4.1 创建java文件

在桌面创建了一个名为Test的Java文件，并使用javac命令进行编译。

public class Test {

    public void sayHi() {
        System.out.println("hi!");
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

4.2 完成方法重写与测试

/**
 * Created by luyi on 2021/2/16.
 * 描述：自定义ClassLoader
 */
public class MyClassLoader extends ClassLoader {

    public String classPath;

    public MyClassLoader(String classPath) {
        this.classPath = classPath;
    }

    /**
     * 通过输入流读取文件
     *
     * @param name 文件全限定类名
     */
    public byte[] loadByte(String name) throws IOException {

        if (name == null || name.length() == 0) {
            return new byte[1024];
        }

        name = name.replaceAll("\\.", "/");
        FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name + ".class");
        int len = fis.available();
        byte[] data = new byte[len];
        fis.read(data);
        fis.close();
        return data;
    }

    /**
     * 将指定的路径中的指定的文件进行加载
     *
     * @param name 全限定类名
     * @return
     * @throws ClassNotFoundException
     */
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

        if (name == null || name.length() == 0) {
            return null;
        }

        try {
            byte[] data = loadByte(name);
            return defineClass(name, data, 0, data.length);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            throw new ClassNotFoundException();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        MyClassLoader loader = new MyClassLoader("/Users/luyi/Desktop");
        Class<?> clazz = loader.loadClass("Test", false);
        Object instance = clazz.newInstance();
        Method sayHi = clazz.getDeclaredMethod("sayHi", null);
        sayHi.invoke(instance, null);

        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

运行结果：