Java源码分析专题系列之【ClassLoader】深入浅出的源码分析

在人生的道路上，即使一切都失去了，只要一息尚存，你就没有丝毫理由绝望。因为失去的一切，又可能在新的层次上复得。

Java体系中的所有类，必须以【class字节码文件】必须被装载到JVM中才能运行，这个装载工作是由JVM中的类装载器完成的，类装载器所做的工作实质是把class字节码文件从存储介质（网络、硬盘、数据库等多元化方式）读取到JVM内存中，JVM在加载类的时候，都是通过ClassLoader的loadClass()方法来加载class字节码的，Java的类加载器使用双亲委派模式进行加载类。

官方给出ClassLoader功能翻译为

ClassLoader类是一个抽象类

/**
 * A class loader is an object that is responsible for loading classes. The
 * class <tt>ClassLoader</tt> is an abstract class.  Given the <a
 * href="#name">binary name</a> of a class, a class loader should attempt to
 * locate or generate data that constitutes a definition for the class.  A
 * typical strategy is to transform the name into a file name and then read a
 * "class file" of that name from a file system.
**/
public abstract class ClassLoader

大致意思如下（个人补充了完整信息）

• Classloader是一个负责加载classes的对象，ClassLoader类是一个抽象类，给定类的二进制名称（全限定名），尝试定位或者产生一个class的元数据信息（class静态常量池中的元数据）存放到方法区中的运行时常量池以及字符串常量池中。并且创建一个class实例对象指向该方法区内存的地址。

• 我们常用的解析方式策略就是将名称转换为物理位置及文件名，然后定位到文件系统等相关媒介中，并且读取该名称的“class类文件”。

为了更好的理解类的加载机制，我们来深入研究一下ClassLoader和他的loadClass()方法。

ClassLoader分类

Java系统自带有三个类加载器

Bootstrap ClassLoader

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最顶层的加载类，主要加载核心类库，%JRE_HOME%\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar等。

• Java命令行提供了如何扩展bootStrap级别加载class的简单方法。

• 另外需要注意的是可以通过启动JVM时指定 -Xbootclasspath 和路径来改变Bootstrap ClassLoader的加载目录。

• 语法如下:

  • -Xbootclasspath: 完全取代基本核心的Java class 搜索路径，不常用,否则要重新写所有Java核心class。

  • -Xbootclasspath/a: 被指定的文件追加到默认的bootstrap路径中。

  • -Xbootclasspath/p: 前缀在核心class搜索路径前面。不常用，避免引起不必要的冲突。

  • -Dsun.boot.class.path=XXXX

分隔符与classpath参数类似，unix使用:号,windows使用;号，这里以unix为例

java -Xbootclasspath/a:/usrhome/thirdlib.jar: -jar yourJarExe.jar

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Extention ClassLoader(扩展的类加载器)

加载目录%JRE_HOME%\lib\ext目录下的jar包和class文件。还可以加载-D java.ext.dirs选项指定的目录。

可以采用 java.ext.dirs 这个虚拟机参数选项进行设置。

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Appclass Loader(系统型类加载器)

也称为SystemAppClass加载当前应用的classpath的所有类。

ClassLoader从继承关系

为了更好的理解，我们可以查看源码。看sun.misc.Launcher,它是一个java虚拟机的入口应用。

public class Launcher {
    private static Launcher launcher = new Launcher();
    private static String bootClassPath = System.getProperty("sun.boot.class.path");
    public static Launcher getLauncher() {
        return launcher;
    }
    private ClassLoader loader;
    public Launcher() {
        // Create the extension class loader
        ClassLoader extcl;
        try {
            extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError( "Could not create extension class loader", e);
        }
        // Now create the class loader to use to launch the application
        try {
            loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError( "Could not create application class loader", e);
        }
        //设置AppClassLoader为线程上下文类加载器，这个文章后面部分讲解
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
    }

    /*
     * Returns the class loader used to launch the main application.
     */
    public ClassLoader getClassLoader() {
        return loader;
    }

    /*
     * The class loader used for loading installed extensions.
     */

    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {}

    /**
     * The class loader used for loading from java.class.path.
     * runs in a restricted security context.
     */
    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {}

源码有精简，我们可以得到相关的信息。

1. Launcher初始化了ExtClassLoader和AppClassLoader。

2. Launcher中并没有看见BootstrapClassLoader，但通过System.getProperty("sun.boot.class.path")得到了字符串bootClassPath，这个应该就是BootstrapClassLoader加载的jar包路径。

我们可以先代码测试一下sun.boot.class.path是什么内容。

System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));

得到的结果是：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\resources.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\rt.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\sunrsasign.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jsse.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jce.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\charsets.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jfr.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\classes

可以看到，这些全是JRE目录下的jar包或者是class文件。

ExtClassLoader源码

  /*
   * The class loader used for loading installed extensions.
   */
    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {

        static {
            ClassLoader.registerAsParallelCapable();
        }

        /**
         * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created
         * within a context that limits which files it can read
         */
        public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException
        {
            final File[] dirs = getExtDirs();
            try {
                // Prior implementations of this doPrivileged() block supplied
                // aa synthesized ACC via a call to the private method
                // ExtClassLoader.getContext().
                return AccessController.doPrivileged(
                    new PrivilegedExceptionAction<ExtClassLoader>() {
                        public ExtClassLoader run() throws IOException {
                            int len = dirs.length;
                            for (int i = 0; i < len; i++) {
                                MetaIndex.registerDirectory(dirs[i]);
                            }
                            return new ExtClassLoader(dirs);
                        }
                    });
            } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {
                throw (IOException) e.getException();
            }
        }

        private static File[] getExtDirs() {
            String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
            File[] dirs;
            if (s != null) {
                StringTokenizer st =
                    new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
                int count = st.countTokens();
                dirs = new File[count];
                for (int i = 0; i < count; i++) {
                    dirs[i] = new File(st.nextToken());
                }
            } else {
                dirs = new File[0];
            }
            return dirs;
        }
 
......
    }

指定-D java.ext.dirs参数来添加和改变ExtClassLoader的加载路径。这里我们通过可以编写测试代码。

System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));

结果如下：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

AppClassLoader源码

   /**
     * The class loader used for loading from java.class.path.
     * runs in a restricted security context.
     */
    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {
        public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader extcl)
            throws IOException{
            final String s = System.getProperty("java.class.path");
            final File[] path = (s == null) ? new File[0] : getClassPath(s);
            return AccessController.doPrivileged(
                new PrivilegedAction<AppClassLoader>() {
                    public AppClassLoader run() {
                    URL[] urls =
                        (s == null) ? new URL[0] : pathToURLs(path);
                    return new AppClassLoader(urls, extcl);
                }
            });
        }
        ......
    }

可以看到AppClassLoader加载的就是 -Djava.class.path 下的路径。我们同样打印它的值。

System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));

结果如下：

D:\workspace\ClassLoaderDemo\bin

这个路径其实就是当前java工程目录bin，里面存放的是编译生成的class文件。

自此我们已经知道了BootstrapClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader实际是查阅相应的环境属性(-Xbootclasspath[/a/p]:)sun.boot.class.path、java.ext.dirs和java.class.path来加载资源文件的。

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ClassLoader加载顺序

• 我们看到了系统的3种类加载器，但我们可能不知道具体哪个先行呢？这与我们的加载方式模型来决定的：上面说过Java使用的是双亲委托模型。

  • Java的类加载器查找class和resource时，是通过“委托模式”进行的，它首先判断这个class是不是已经加载成功，如果没有的话它并不是自己进行查找，而是先通过父加载器，然后递归下去，直到Bootstrap ClassLoader。

  • 如果Bootstrap ClassLoader也没有加载过此class实例，那么它就会从它指定的路径中去查找，如果查找成功则返回，如果没有查找成功则交给子类加载器，也就是ExtClassLoader，这样类似操作直到终点，也就是我上图中的红色箭头示例。这种机制就叫做双亲委托。

什么是双亲委派机制？

整个流程可以如下图所示：

• 如果当前的类加载器没有查询到这个class对象已经加载就请求父加载器（不一定是父类）进行操作，然后以此类推。

具体流程描述

1. 一个AppClassLoader查找资源时，先看看缓存是否有，缓存有从缓存中获取，否则委托给父加载器。

2. 递归，重复第1部的操作。

3. 如果ExtClassLoader也没有加载过，则由Bootstrap ClassLoader出面，它首先查找缓存，如果没有找到的话，就去找自己的规定的路径下，也就是sun.mic.boot.class下面的路径。找到就返回，没有找到，让子加载器自己去找。

4. Bootstrap ClassLoader如果没有查找成功，则ExtClassLoader自己在java.ext.dirs路径中去查找，查找成功就返回，查找不成功，再向下让子加载器找。

5. ExtClassLoader查找不成功，AppClassLoader就自己查找，在java.class.path路径下查找。找到就返回。如果没有找到就让子类找，如果没有子类会怎么样？抛出各种异常。

上面的序列，详细说明了双亲委托的加载流程。我们可以发现委托是从下向上，然后具体查找过程却是自上至下。

加载类过程

首先加载类是通过Classloader中的loadClass方法加载，Classloader部分代码：

loadClass

JDK文档中是这样写的，通过指定的全限定类名加载class，它通过同名的loadClass(String,boolean)方法。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先，检测是否已经加载
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        //父加载器不为空则调用父加载器的loadClass
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        //父加载器为空则调用Bootstrap Classloader
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }
                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    //父加载器没有找到，则调用findclass
                    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) {
                //调用resolveClass()
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

   // 篡改双亲委托
    @Override
    protected Class<?> loadClass(String className, boolean resolve)
           throws ClassNotFoundException {
        Class<?> clazz = findLoadedClass(className);
        if (clazz == null) {
            clazz = findClass(className);
        }
        return clazz;
    }

    // 主要用于覆盖此方法去控制双亲委托下的加载实现
    protected final Class<?> findLoadedClass(String name) {
        ClassLoader loader;
        if (this == BootClassLoader.getInstance())
            loader = null;
        else
            loader = this;
        return VMClassLoader.findLoadedClass(loader, name);
    }

上面是方法原型，一般实现这个方法的步骤是：

1. 执行findLoadedClass(String)去检测这个class是不是已经加载过了，直接获取当前的类加载器（系统类加载器）。

2. 执行父加载器的loadClass方法。如果父加载器为null，则jvm内置的加载器去替代，也就是Bootstrap ClassLoader。这也解释了ExtClassLoader的parent为null，但仍然说Bootstrap ClassLoader是它的父加载器。

3. 如果向上委托父加载器没有加载成功，则通过findClass(String)查找。

4. 如果class在上面的步骤中找到了，参数resolve又是true的话，那么loadClass()又会调用resolveClass(Class)这个方法来生成最终的Class对象。 我们可以从源代码看出这个步骤。

另外，要注意的是如果要编写一个classLoader的子类，也就是自定义一个classloader，建议覆盖findClass()方法，而不要直接改写loadClass()方法。

if (parent != null) {
    //父加载器不为空则调用父加载器的loadClass
    c = parent.loadClass(name, false);
} else {
    //父加载器为空则调用Bootstrap Classloader
    c = findBootstrapClassOrNull(name);
}

• 前面说过ExtClassLoader的parent为null，所以它向上委托时，系统会为它指定Bootstrap ClassLoader。

synchronized (getClassLoadingLock(name)) 看到这行代码，我们能知道的是，这是一个同步代码块，那么synchronized的括号中放的应该是一个对象。我们来看getClassLoadingLock(name)方法的作用是什么：

protected Object getClassLoadingLock(String className) {
        Object lock = this;
        if (parallelLockMap != null) {
            Object newLock = new Object();
            lock = parallelLockMap.putIfAbsent(className, newLock);
            if (lock == null) {
                lock = newLock;
            }
        }
        return lock;
    }

• 以上是getClassLoadingLock(name)方法的实现细节，我们看到这里用到变量parallelLockMap ，根据这个变量的值进行不同的操作，如果这个变量是Null，那么直接返回this，如果这个属性不为Null，那么就新建一个对象，然后在调用一个putIfAbsent(className, newLock);

• 那么这个parallelLockMap变量又是哪来的那，我们发现这个变量是ClassLoader类的成员变量：

private final ConcurrentHashMap<String, Object> parallelLockMap;

这个变量的初始化工作在ClassLoader的构造函数中：

private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
        this.parent = parent;
        if (ParallelLoaders.isRegistered(this.getClass())) {
            parallelLockMap = new ConcurrentHashMap<>();
            package2certs = new ConcurrentHashMap<>();
            domains =
                Collections.synchronizedSet(new HashSet<ProtectionDomain>());
            assertionLock = new Object();
        } else {
            // no finer-grained lock; lock on the classloader instance
            parallelLockMap = null;
            package2certs = new Hashtable<>();
            domains = new HashSet<>();
            assertionLock = this;
        }
    }

这里我们可以看到构造函数根据一个属性ParallelLoaders的Registered状态的不同来给parallelLockMap 赋值。

在ClassLoader类中包含一个静态内部类private static class ParallelLoaders，在ClassLoader被加载的时候这个静态内部类就被初始化。这个静态内部类的代码我就不贴了，直接告诉大家什么意思，sun公司是这么说的：Encapsulates the set of parallel capable loader types，意识就是说：封装了并行的可装载的类型的集合。

上面这个说的是不是有点乱，那让我们来整理一下：

• 首先，在ClassLoader类中有一个静态内部类ParallelLoaders，他会指定的类的并行能力，如果当前的加载器被定位为具有并行能力，那么他就给parallelLockMap定义，就是new一个 ConcurrentHashMap<>()，那么这个时候，我们知道如果当前的加载器是具有并行能力的，那么parallelLockMap就不是Null，这个时候，我们判断parallelLockMap是不是Null，如果他是null，说明该加载器没有注册并行能力，那么我们没有必要给他一个加锁的对象，getClassLoadingLock方法直接返回this，就是当前的加载器的一个实例。

• 如果这个parallelLockMap不是null，那就说明该加载器是有并行能力的，那么就可能有并行情况，那就需要返回一个锁对象。然后就是创建一个新的Object对象，调用parallelLockMap的putIfAbsent(className, newLock)方法，这个方法的作用是：

• 根据传进来的className,检查该名字是否已经关联了一个value值，如果已经关联过value值，那么直接把他关联的值返回，如果没有关联过值的话，那就把我们传进来的Object对象作为value值，className作为Key值组成一个map返回。

• 无论putIfAbsent方法的返回值是什么，都把它赋值给我们刚刚生成的那个Object对象。 这个时候，我们来简单说明一下getClassLoadingLock(String className)的作用，就是： 为类的加载操作返回一个锁对象。

• 为了向后兼容，这个方法这样实现:如果当前的classloader对象注册了并行能力，方法返回一个与指定的名字className相关联的特定对象，否则，直接返回当前的ClassLoader对象。

双亲委派机制的作用

1. 避免重复加载，当父类加载器已经加载了该类的时候，就没有必要子类加载器再加载一次了。

   • 首先，类加载器是按照级别层层往下加载的，当下层的加载器去加载某一个类时，有可能上层的加载已经加载过的，比如FrameWork层的加载被BootClassLoader加载过，下层不用再去加载了。

2. 安全性考虑，防止核心API库被随意篡改。

   • 系统类加载器已经加载过了FrameWork层了类，如果我们自己再写一个系统级别的类，创建包java.lang，创建一个自己的String类，类加载器去加载这个类覆盖了原本的java.lang下的String，那么这个时候使用String整个应用就出问题了。

package java.lang;

class String {

    @NonNull
    @Override
    public String toString() {
        return "";
    }

    @Override
    public boolean equals(@Nullable Object obj) {
        return false;
    }
}

而因为双亲委派机制，加载这个String类之前，调用parent的BootClassloader，判断已经加载过String类，这个类其实不会再去找了，解决了被篡改的问题。

类加载的动态性体现

一个应用程序总是由n多个类组成，Java程序启动时，并不是一次把所有的类全部加载后再运行，它总是先把保证程序运行的基础类一次性加载到jvm中，其它类等到jvm用到的时候再加载，这样的好处是节省了内存的开销，因为java最早就是为嵌入式系统而设计的，内存宝贵，这是一种可以理解的机制，而用到时再加载这也是java动态性的一种体现。

类的加载过程

• 装载：通过“类全路径名”查找并加载类的二进制数据，并且生成class实例对象指向对应的方法区的内存数据结构。

• 链接：把类的二进制数据合并到JVM中（主要作为校验阶段中的class文件格式校验阶段完成存入方法区内存中）。

  • 验证：确保被加载类的正确性，确保加载内容不危害虚拟机；

  • 准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值，常量直接赋值；

  • 解析：把类中的符号引用转换为直接引用；

• 初始化：直接进行先关的静态类构造器，实现相关的相关的类属性和类代码块的执行和赋值操作。