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理解 Java ClassLoader 机制
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再次阅读这篇文章时,有了更深的体会,特转载之。

理解Java ClassLoader机制

当JVM(Java虚拟机)启动时,会形成由三个类加载器组成的初始类加载器层次结构:

bootstrap classloader
|
extension classloader
|
system classloader

bootstrap classloader -引导(也称为原始)类加载器,它负责加载Java的核心类。在Sun的JVM中,在执行java的命令中使用-Xbootclasspath选项或使用 - D选项指定sun.boot.class.path系统属性值可以指定附加的类。这个加载器的是非常特殊的,它实际上不是 java.lang.ClassLoader的子类,而是由JVM自身实现的。大家可以通过执行以下代码来获得bootstrap classloader加载了那些核心类库:
URL[] urls=sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
 for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
 System.out.println(urls.toExternalform());
 }
 

extension classloader -扩展类加载器,它负责加载JRE的扩展目录(JAVA_HOME/jre/lib/ext或者由java.ext.dirs系统属性指定的)中JAR的 类包。这为引入除Java核心类以外的新功能提供了一个标准机制。因为默认的扩展目录对所有从同一个JRE中启动的JVM都是通用的,所以放入这个目录的 JAR类包对所有的JVM和system classloader都是可见的。在这个实例上调用方法getParent()总是返回空值null,因为引导加载器bootstrap classloader不是一个真正的ClassLoader实例。所以当大家执行以下代码时:
System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
ClassLoader extensionClassloader=ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
System.out.println("the parent of extension classloader : "+extensionClassloader.getParent());
结果为:
C:\j2sdk1.4.1_01\jre\lib\ext
the parent of extension classloader : null
extension classloader是system classloader的parent,而bootstrap classloader是extension classloader的parent,但它不是一个实际的classloader,所以为null。

system classloader -系统(也称为应用)类加载器,它负责在JVM被启动时,加载来自在命令java中的-classpath或者java.class.path系统属性或 者 CLASSPATH操作系统属性所指定的JAR类包和类路径。总能通过静态方法ClassLoader.getSystemClassLoader()找 到该类加载器。如果没有特别指定,则用户自定义的任何类加载器都将该类加载器作为它的父加载器。执行以下代码即可获得:
System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
输出结果则为用户在系统属性里面设置的CLASSPATH。
classloader 加载类用的是全盘负责委托机制。所谓全盘负责,即是当一个classloader加载一个Class的时候,这个Class所依赖的和引用的所有 Class也由这个classloader负责载入,除非是显式的使用另外一个classloader载入;委托机制则是先让parent(父)类加载器 (而不是super,它与parent classloader类不是继承关系)寻找,只有在parent找不到的时候才从自己的类路径中去寻找。此外类加载还采用了cache机制,也就是如果 cache中保存了这个Class就直接返回它,如果没有才从文件中读取和转换成Class,并存入cache,这就是为什么我们修改了Class但是必 须重新启动JVM才能生效的原因。

类加载器的顺序是:
先是bootstrap classloader,然后是extension classloader,最后才是system classloader。大家会发现加载的Class越是重要的越在靠前面。这样做的原因是出于安全性的考虑,试想如果system classloader“亲自”加载了一个具有破坏性的“java.lang.System”类的后果吧。这种委托机制保证了用户即使具有一个这样的类, 也把它加入到了类路径中,但是它永远不会被载入,因为这个类总是由bootstrap classloader来加载的。大家可以执行一下以下的代码:
System.out.println(System.class.getClassLoader());
将会看到结果是null,这就表明java.lang.System是由bootstrap classloader加载的,因为bootstrap classloader不是一个真正的ClassLoader实例,而是由JVM实现的,正如前面已经说过的。

下面就让我们来看看JVM是如何来为我们来建立类加载器的结构的:
sun.misc.Launcher,顾名思义,当你执行java命令的时候,JVM会先使用bootstrap classloader载入并初始化一个Launcher,执行下来代码:
System.out.println("the Launcher's classloader is "+sun.misc.Launcher.getLauncher().getClass().getClassLoader());
结果为:
the Launcher's classloader is null (因为是用bootstrap classloader加载,所以class loader为null)
Launcher 会根据系统和命令设定初始化好class loader结构,JVM就用它来获得extension classloader和system classloader,并载入所有的需要载入的Class,最后执行java命令指定的带有静态的main方法的Class。extension classloader实际上是sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类的一个实例,system classloader实际上是sun.misc.Launcher$AppClassLoader类的一个实例。并且都是 java.net.URLClassLoader的子类。

让我们来看看Launcher初试化的过程的部分代码。

Launcher的部分代码:
public class Launcher {
 public Launcher() {
 ExtClassLoader extclassloader;
 try {
 //初始化extension classloader
 extclassloader = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
 } catch(IOException ioexception) {
 throw new InternalError("Could not create extension class loader");
 }
 try {
 //初始化system classloader,parent是extension classloader
 loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extclassloader);
 } catch(IOException ioexception1) {
 throw new InternalError("Could not create application class loader");
 }
 //将system classloader设置成当前线程的context classloader(将在后面加以介绍)
Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
 ......
 }
 public ClassLoader getClassLoader() {
 //返回system classloader
 return loader;
 }
 }

extension classloader的部分代码:
static class Launcher$ExtClassLoader extends URLClassLoader {
 
public static Launcher$ExtClassLoader getExtClassLoader()
 throws IOException
 {
 File afile[] = getExtDirs();
 return (Launcher$ExtClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$1(afile));
 }
 private static File[] getExtDirs() {
 //获得系统属性“java.ext.dirs”
String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
 File afile[];
 if(s != null) {
 StringTokenizer stringtokenizer = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
 int i = stringtokenizer.countTokens();
 afile = new File;
 for(int j = 0; j < i; j++)
 afile[j] = new File(stringtokenizer.nextToken());
 
} else {
 afile = new File[0];
 }
 return afile;
 }
 }

system classloader的部分代码:
static class Launcher$AppClassLoader extends URLClassLoader
 {
 
public static ClassLoader getAppClassLoader(ClassLoader classloader)
 throws IOException
 {
 //获得系统属性“java.class.path”
String s = System.getProperty("java.class.path");
 File afile[] = s != null ? Launcher.access$200(s) : new File[0];
 return (Launcher$AppClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$2(s, afile, classloader));
 }
 }
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