jvm类加载器

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类加载器介绍

虚拟机涉及团队把类加载阶段中的”通过一个类的权限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块被称为”类加载器”。

类与类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。

对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性。这句话等同于:

比较两个类是否”相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提之下才有意义，否则，即使这两个类是来源于同一个Class文件，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

这里所指的”相等”，包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom() 方法、isInstance()方法的返回结果，也包括了使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。如果没有注意到类加载器的影响，在某些情况下可能会产生具有迷惑性的结果。

不同的类加载器对instanceof关键字运算结果的影响

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/**
 * 类加载器与instanceof关键字演示
 */
public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
                    InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                    if (is == null) {
                        return super.loadClass(name);
                    }
                    byte[] b = new byte[is.available()];
                    is.read(b);
                    return defineClass(name, b, 0, b.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException(name);
                }
            }
        }
        Object obj = myLoader.loadClass("org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest").newInstance();
        System.out.println(obj.getClass());
        System.out.println(obj instanceof org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest);
    }
}

双亲委派模型

Java虚拟机角度的类加载器

在Java虚拟机的角度讲，只存在两种不同的类加载器：

  1. 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)，这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；

  2. 其他类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

开发人员角度的类加载器

从开发人员角度出发，绝大部分Java程序都会使用到以下三种系统提供的类加载器:

  • 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader): 这个类加载器负责将存放在\<JAVA_HOME>\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的(仅按照文件名识别，如rt.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用。

  • 扩展类加载器(Extension ClassLoader): 这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载\<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。

  • 应用程序类加载器(Application ClassLoader): 这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径(ClassPath)上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

双亲委派模型简介

我们的应用程序都是由这三种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自己定义的类加载器： 

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启动类加载器(Bootstrap ClassLoader) <--- 扩展类加载器(Extension ClassLoader) <--- 应用程序类加载器(Application ClassLoader) <----多个用户自己定义的类加载器

类加载器之间的这种层次关系，就称为类加载器的双亲委派模型(Parents Delegation Model)。

双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承(Inheritance)关系来实现，而是都使用组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。

类加载器的双亲委派模型在JDK1.2期间被引入并被广泛应用于之后几乎所有的Java程序中，但它并不是一个强制性的约束模型，而是Java设计者们推荐给开发者们的一种类加载器实现方式。

双亲委派模型工作过程

如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需的类)时，子加载器才会尝试自己去加载。

双亲委派模型的优点

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。

例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。

相反，如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己写了一个名为java.lang.Object的类，并放在程序的ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无从保证，应用程序也将会变得一片混乱。

双亲委派模型的实现

双亲委派模型的实现非常简单，实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中

逻辑清晰易懂:

  1. 先检查是否已经被加载过

  2. 若没有加载则调用父加载器的loadClass()方法

  3. 若父加载器为空则默认使用启动类

  4. 如果父类加载失败，则在抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass() 方法进行加载。

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protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    // 首先， 检查请求的类是否已经被加载过了
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            if (parent != null) {
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                c = findBootstrapClassOrNull(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // 如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
            // 则说明父类加载器无法完成加载请求
        }
        if (c == null) {
            // 在父类加载器无法加载的时候
            // 再调用本身的findClass方法来进行类加载
            c = findClass(name);
        }
    }
}

双亲委派模型的破坏

为了兼容JDK1.2之前的自定义类加载器

为了向前兼容, JDK 1.2之后的java.lang.ClassLoader添加了一个新的protected方法findClass(),在此之前，用户去继承java.lang.ClassLoader的唯一目的就是为了重写loadClass()方法，因为虚拟机在进行类加载的时候会调用加载器的私有方法loadClassInternal()，而这个方法的唯一逻辑就是去调用自己的loadClass()。

JDK1.2之后已不提倡用户再去覆盖loadClass() 方法，而应当把自己的类加载逻辑写到findClass()方法中，在loadClass()方法的逻辑里如果父类加载失败，则会调用自己的findClass()方法来完成加载，这样就可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的。

基础类调用用户代码

JNDI服务的代码由启动类加载器去加载(在JDK1.3时代放进去的rt.jar),但JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找，它需要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的JNDI接口提供者(SPI, Service Provider Interface)的代码，但启动类加载器不可能”认识”这些代码。

Java设计团队引入了 线程上下文类加载器(Thread Context ClassLoader) 来解决这个困境。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader() 方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过，那么这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

JNDI服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需要的SPI代码，也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作。

动态性的追求

动态性的追求就是希望应用程序能像电脑外设那样，插上鼠标或U盘，不用重启机器就能立即使用。

OSGi是当前业界的Java模块化标准，OSGi实现模块化热部署的关键则是它自定义的类加载器机制的实现。每一个程序模块(OSGi中称为Bundle)都有一个自己的类加载器，当需要更换一个Bundle时，就把Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。

在OSGi环境下，类加载器不再是双亲委派模型中的树状结构，而是进一步发展为网状结构，当收到类加载请求时，OSGi将按照下面的顺序进行类搜索:

  1. 将以java.*开头的类，委派给父类加载器加载。

  2. 否则，将委派列表名单内的类，委派给父类加载器加载。

  3. 否则，将Import列表中的类，委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。

  4. 否则， 查找当前Bundle的ClassPath, 使用自己的类加载器加载。

  5. 否则，查找类是否在自己的Fragment Bundle中，如果在，则委派给Fragment Bundle的类加载器加载。

  6. 否则，查找Dynamic Import列表的Bundle，委派给对应Bundle的类加载器加载。

  7. 否则，类查找失败。

上面的查找顺序只有开头两点仍然符合双亲委派规则，其余的类查找都是在平级的类加载器中进行的。