Java类加载机制深度分析

Java类加载机制

类加载是Java程序运行的第一步，研究类的加载有助于了解JVM执行过程，并指导开发者采取更有效的措施配合程序执行。研究类加载机制的第二个目的是让程序能动态的控制类加载，比如热部署等，提高程序的灵活性和适应性。 
   
在java.lang包里有个ClassLoader类，ClassLoader 的基本目标是对类的请求提供服务，按需动态装载类和资源，只有当一个类要使用(使用new 关键字来实例化一个类)的时候，类加载器才会加载这个类并初始化。一个Java应用程序可以使用不同类型的类加载器。例如Web Application Server中，Servlet的加载使用开发商自定义的类加载器， java.lang.String在使用JVM系统加载器。

在JVM里由类名和类加载器区别不同的Java类型。因此，JVM允许我们使用不同的加载器加载相同namespace的java类，而实际上这些相同namespace的java类可以是完全不同的类。这种机制可以保证JDK自带的java.lang.String是唯一的。

一、Java类加载器 
   
顾名思义，类加载器（class loader）用来加载 Java 类到 Java 虚拟机中。一般来说，Java 虚拟机使用 Java 类的方式如下：Java 源程序（.java 文件）在经过 Java 编译器编译之后就被转换成 Java 字节代码（.class 文件）。类加载器负责读取 Java 字节代码，并转换成 java.lang.Class类的一个实例。每个这样的实例用来表示一个 Java 类。通过此实例的 newInstance()方法就可以创建出该类的一个对象。实际的情况可能更加复杂，比如 Java 字节代码可能是通过工具动态生成的，也可能是通过网络下载的。基本上所有的类加载器都是 java.lang.ClassLoader类的一个实例。 
   
二、java.class.ClassLoader类介绍

java.lang.ClassLoader类的基本职责就是根据一个指定的类的名称，找到或者生成其对应的字节代码，然后从这些字节代码中定义出一个 Java 类，即 java.lang.Class类的一个实例。除此之外，ClassLoader还负责加载 Java 应用所需的资源，如图像文件和配置文件等。 
   
ClassLoader 中与加载类相关的方法：

getParent()           返回该类加载器的父类加载器。 
loadClass(String name)      加载名称为 name的类，返回的结果是 java.lang.Class类的实例。 
findClass(String name)      查找名称为 name的类，返回的结果是 java.lang.Class类的实例。 
findLoadedClass(String name)   查找名称为 name的已经被加载过的类，返回的结果是 java.lang.Class类的实例。 
defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)   把字节数组 b中的内容转换成 Java 类，返回的结果是 java.lang.Class类的实例。这个方法被声明为 final的。 
resolveClass(Class<?> c)     链接指定的 Java 类。

对于以上给出的方法，表示类名称的 name参数的值是类的二进制名称。需要注意的是内部类的表示，如 com.example.Sample$1和com.example.Sample$Inner等表示方式。 
   
三、类加载器的树状组织结构

Java 中的类加载器大致可以分成两类，一类是系统提供的，另外一类则是由 Java 应用开发人员编写的。系统提供的类加载器主要有下面三个：

•引导类加载器（bootstrap class loader）：它用来加载 Java 的核心库，是用原生代码来实现的，并不继承自 java.lang.ClassLoader。 
•扩展类加载器（extensions class loader）：它用来加载 Java 的扩展库。Java 虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。该类加载器在此目录里面查找并加载Java 类。 
•系统类加载器（system class loader）：它根据 Java 应用的类路径（CLASSPATH）来加载 Java 类。一般来说，Java 应用的类都是由它来完成加载的。可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它。

除了系统提供的类加载器以外，开发人员可以通过继承 java.lang.ClassLoader类的方式实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求。除了引导类加载器之外，所有的类加载器都有一个父类加载器。通过给出的 getParent()方法可以得到。对于系统提供的类加载器来说，系统类加载器的父类加载器是扩展类加载器，而扩展类加载器的父类加载器是引导类加载器；对于开发人员编写的类加载器来说，其父类加载器是加载此类加载器 Java 类的类加载器。因为类加载器 Java类如同其它的 Java 类一样，也是要由类加载器来加载的。一般来说，开发人员编写的类加载器的父类加载器是系统类加载器。类加载器通过这种方式组织起来，形成树状结构。树的根节点就是引导类加载器。

 
如以上三图给出了一个典型的类加载器树状组织结构示意图，其中的箭头指向的是父类加载器。

  
如上图给出了类加载器的树状组织结构演示代码。 
   
四、类加载器的代理模式 
   
类加载器在尝试自己去查找某个类的字节代码并定义它时，会先代理给其父类加载器，由父类加载器先去尝试加载（loadClass）这个类，依次类推。在介绍代理模式背后的动机之前，首先需要说明一下 Java 虚拟机是如何判定两个 Java 类是相同的。Java 虚拟机不仅要看类的全名是否相同，还要看加载此类的类加载器是否一样。只有两者都相同的情况，才认为两个类是相同的。即便是同样的字节代码，被不同的类加载器加载之后所得到的类，也是不同的。 
   
比如：一个 Java 类 com.example.Sample，编译之后生成了字节代码文件 Sample.class。两个不同的类加载器 ClassLoaderA和 ClassLoaderB分别读取了这个 Sample.class文件，并定义出两个 java.lang.Class类的实例来表示这个类。这两个实例是不相同的。对于 Java 虚拟机来说，它们是不同的类。试图对这两个类的对象进行相互赋值，会抛出运行时异常 ClassCastException。   
 

如上图代码，但未出现上述的异常，因为FileSystemClassLoader已继承自java.class.ClassLoader类，从而使用了类加载的代理机制，两个类加载过程都是由父类加器完成的，所以不会抛出ClassCastException异常；此处先暂时假定会抛出ClassCastException异常；

有关ClassLoader还有很重要一点： 
同一个ClassLoader加载的类文件，只有一个Class实例。但是，如果同一个类文件被不同的ClassLoader载入，则会有两份不同的ClassLoader实例（前提是着两个类加载器不能用相同的父类加载器）。 
   
运行结果可以看到，运行时抛出了 java.lang.ClassCastException异常。虽然两个对象 obj1和 obj2的类的名字相同，但是这两个类是由不同的类加载器实例来加载的，因此不被 Java 虚拟机认为是相同的。了解了这一点之后，就可以理解代理模式的设计动机了。代理模式是为了保证 Java 核心库的类型安全。所有Java 应用都至少需要引用 java.lang.Object类，也就是说在运行的时候，java.lang.Object这个类需要被加载到 Java 虚拟机中。如果这个加载过程由 Java 应用自己的类加载器来完成的话，很可能就存在多个版本的 java.lang.Object类，而且这些类之间是不兼容的。通过代理模式，对于 Java 核心库的类的加载工作由引导类加载器来统一完成，保证了 Java 应用所使用的都是同一个版本的 Java 核心库的类，是互相兼容的。不同的类加载器为相同名称的类创建了额外的名称空间。相同名称的类可以并存在 Java 虚拟机中，只需要用不同的类加载器来加载它们即可。不同类加载器加载的类之间是不兼容的，这就相当于在 Java 虚拟机内部创建了一个个相互隔离的 Java 类空间。 
   
五、加载类的过程 
   
在前面介绍类加载器的代理模式的时候，提到过类加载器会首先代理给其它类加载器来尝试加载（loadClass）某个类。这就意味着真正完成类的加载工作的类加载器和启动这个加载过程的类加载器，有可能不是同一个。真正完成类的加载工作是通过调用 defineClass来实现的；而启动类的加载过程是通过调用 loadClass来实现的。前者称为一个类的定义加载器（defining loader），后者称为初始加载器（initiating loader）。在 Java 虚拟机判断两个类是否相同的时候，使用的是类的定义加载器（此句可与第四部分一起理解哦）。也就是说，哪个类加载器启动类的加载过程并不重要，重要的是最终定义这个类的加载器。

两种类加载器的关联之处在于：一个类的定义加载器是它引用的其它类的初始加载器。（有点晦涩，这句话可以举例说明：ClassA的类加载器为ClassLoaderA，ClassLoaderB是ClassLoaderA父类加载器，那么当ClassLoaderA初始加载ClassA时，由于类加载器的代理模式，则会调用父类加载器ClassLoaderB来定义ClassA，所以ClassLoaderA叫做ClassA的初始加载器，而ClassLoaderB叫做ClassA的定义加载器，然而ClassA中引用了ClassC，那么当父类加载器ClassLoaderB定义ClassLoaderA时，会初始加载ClassC，所以ClassLoaderB又叫做ClassC的初始加载器，又由于类加载器的代理模式，则会调用ClassLoaderB的父类加载器--系统类加载器来定义ClassC，所以最后系统类加载器叫作ClassC的定义加载器）。

如类 com.example.Outer引用了类 com.example.Inner，则由类 com.example.Outer的定义加载器负责启动类 com.example.Inner的加载过程。 
   
方法 loadClass()抛出的是 java.lang.ClassNotFoundException异常；方法 defineClass()抛出的是 java.lang.NoClassDefFoundError异常。类加载器在成功加载某个类之后，会把得到的 java.lang.Class类的实例缓存起来。下次再请求加载该类的时候，类加载器会直接使用缓存的类的实例，而不会尝试再次加载。也就是说，对于一个类加载器实例来说，相同全名的类只加载一次，即 loadClass方法不会被重复调用（可借类加载这一特点，实现线程安全哦）。

一般简单加载过程： 
Java程序运行的场所是内存，当在命令行下执行：java HelloWorld命令的时候，JVM会将HelloWorld.class加载到内存中，并形成一个Class的对象HelloWorld.class。

其中的过程就是类加载过程：

1、寻找jre目录，寻找jvm.dll，并初始化JVM； 
2、产生一个Bootstrap Loader（引导类加载器）； 
3、Bootstrap Loader自动加载Extended Loader（扩展类加载器），并将其父Loader设为Bootstrap Loader。 
4、Bootstrap Loader自动加载AppClass Loader（系统类加载器），并将其父Loader设为Extended Loader。 
5、最后由AppClass Loader加载HelloWorld类。

  
如图，给出了类加载器各自搜索目录代码。

类加载器特点：

1、运行一个程序时，总是由AppClass Loader（系统类加载器）开始加载指定的类。 
2、在加载类时，每个类加载器会将加载任务上交给其父，如果其父找不到，再由自己去加载。 
3、Bootstrap Loader（引导类加载器）是最顶级的类加载器了，其父加载器为null。

六、线程上下文类加载器

类 java.lang.Thread中的方法 getContextClassLoader()和setContextClassLoader(ClassLoader cl)用来获取和设置线程的上下文类加载器。如果没有通过 setContextClassLoader(ClassLoader cl)方法进行设置的话，线程将继承其父线程的上下文类加载器。Java 应用运行的初始线程的上下文类加载器是系统类加载器。

在线程中运行的代码可以通过此类加载器来加载类和资源。 
   
前面提到的类加载器的代理模式并不能解决 Java 应用开发中会遇到的类加载器的全部问题。如：Java 提供了很多服务提供者接口（Service Provider Interface，SPI），允许第三方为这些接口提供实现。常见的 SPI 有 JDBC、JCE、JNDI、JAXP 和 JBI 等。这些 SPI 的接口由 Java 核心库来提供，如 JAXP 的 SPI 接口定义包含在 javax.xml.parsers包中。这些 SPI 的实现代码很可能是作为 Java 应用所依赖的 jar 包被包含进来，可以通过类路径（CLASSPATH）来找到，如实现了 JAXP SPI 的 Apache Xerces所包含的 jar 包。SPI 接口中的代码经常需要加载具体的实现类。如 JAXP 中的 javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory类中的 newInstance()方法用来生成一个新的 DocumentBuilderFactory的实例。这里的实例的真正的类是继承自 javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory，由 SPI 的实现所提供的。如在 Apache Xerces 中，实现的类是 org.apache.xerces.jaxp.DocumentBuilderFactoryImpl。而问题在于，SPI 的接口是 Java 核心库的一部分，是由引导类加载器来加载的；SPI 实现的 Java 类一般是由系统类加载器来加载的。引导类加载器是无法找到 SPI 的实现类的，因为它只加载 Java 的核心库。它也不能代理给系统类加载器，因为它是系统类加载器的祖先类加载器。也就是说，类加载器的代理模式无法解决这个问题。 
   
线程上下文类加载器正好解决了这个问题。如果不做任何的设置，Java 应用的线程的上下文类加载器默认就是系统上下文类加载器。在 SPI 接口的代码中使用线程上下文类加载器，就可以成功的加载到 SPI 实现的类。线程上下文类加载器在很多 SPI 的实现中都会用到。此处理解很晦涩，简单说明下个人理解：

1. 首先说明类加载器代理机制解决不了的问题：引导类加载器仅会加载Java核心库，如SPI接口，但是对于第三方对SPI接口实现的Java类，引导类加载器却无法加载（引导类加载器是无法找到 SPI 的实现类的，因为它只加载 Java 的核心库），它也不能代理给系统类加载器，因为它是系统类加载器的祖先类加载器。所以导致代理机制解决不了该问题。但是SPI 实现的 Java 类一般会被系统类加载器来加载（通过类路径CLASSPATH找到），虽然加载了SPI 实现的 Java 类，但导致了SPI接口被引导类加载器加载，SPI接口实现的Java类被系统类加载器加载的困境。 
2. 那么面对该问题，使用线程上下文类加载器可解决，因为Java 应用的线程的上下文类加载器默认就是系统上下文类加载器，在 SPI 接口的代码中使用线程上下文类加载器（即引导类加载器），就可以成功的加载到 SPI 实现的类。从而引导类加载器将SPI接口与SPI实现的Java类一同加载了。该问题解决。 
   
七、另外一种加载类的方法：Class.forName

Class.forName是一个静态方法，同样可以用来加载类。

该方法有两种形式：Class.forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader)和 Class.forName(String className)。

第一种形式的参数 name表示的是类的全名；initialize表示是否初始化类；loader表示加载时使用的类加载器。 
第二种形式则相当于设置了参数 initialize的值为 true，loader的值为当前类的类加载器（只要不是自定义的类加载器，便是系统类加载）。

Class.forName的一个很常见的用法是在加载数据库驱动的时候。如 Class.forName("org.apache.derby.jdbc.EmbeddedDriver").newInstance()用来加载 Apache Derby 数据库的驱动。 
   
调用只有一个参数的forName()方法等效于 Class.forName(className, true, loader)。这两个方法，最后都要连接到原生方法forName0()，其定义如下：

private static native Class forName0(String name, boolean initialize,ClassLoader loader) throws ClassNotFoundException;

只有一个参数的forName()方法，最后调用的是:forName0(className, true, ClassLoader.getCallerClassLoader());而三个参数的forName()，最后调用的是:forName0(name, initialize, loader); 
所以，不管使用的是new 來实例化某个类、或是使用只有一个参数的Class.forName()方法，内部都隐含了“载入类 ＋ 运行静态代码块”的步骤。而使用具有三个参数的Class.forName()方法时，如果第二个参数为false，那么类加载器只会加载类，而不会初始化静态代码块，只有当实例化这个类的时候，静态代码块才会被初始化；如果第二个参数为true，那么类加载器加载类同时，会初始化静态代码块。

注：类加载有三种方式：不同方式加载时，会影响静态代码块执行顺序。

1、命令行启动应用时候由JVM初始化加载。 
2、通过Class.forName()方法动态加载。 
3、通过ClassLoader.loadClass()方法动态加载。

如图，给出了各种加载方式与静态块执行顺序测试类代码。

八、开发自定义类加载

在绝大多数情况下，系统默认提供的类加载器实现已经可以满足需求。在某些情况下，您还是需要为应用开发出自己的类加载器。比如您的应用通过网络来传输 Java 类的字节代码，为了保证安全性，这些字节代码经过了加密处理。这个时候您就需要自己的类加载器来从某个网络地址上读取加密后的字节代码，接着进行解密和验证，最后定义出要在 Java 虚拟机中运行的类来。

文件系统类加载器：

网络类加载器：

      
注：大家在看此处时，不要真的以为是由两个自定义加载器加载的类文件，有很大误导，此处是由父类加载器加载完成的，因为加载的类文件与父类加载器是处在同一个project中，导致子类加载器代理给父类加载器时，父类加载器是可以加载到类文件的，从而不会再调用子类加载器的findClass()方法，大家可调试得出结论。我们在使用自定义加载器类时，首先明确的前提是，被加载的类文件，不是当前project产生的，或者是由网络得来，或者是其他本地类文件，否则会产生以上误区。 
   
九、类加载器与 Web 容器

对于运行在 Java EE™容器中的 Web 应用来说，类加载器的实现方式与一般的 Java 应用有所不同。不同的 Web 容器的实现方式也会有所不同。以 Apache Tomcat 来说，每个 Web 应用都有一个对应的类加载器实例。该类加载器也使用代理模式，所不同的是它是首先尝试去加载某个类，如果找不到再代理给父类加载器。这与一般类加载器的顺序是相反的。这是 Java Servlet 规范中的推荐做法，其目的是使得 Web 应用自己的类的优先级高于 Web 容器提供的类。这种代理模式的一个例外是：Java 核心库的类是不在查找范围之内的。这也是为了保证 Java 核心库的类型安全。 
   
绝大多数情况下，Web 应用的开发人员不需要考虑与类加载器相关的细节。下面给出几条简单的原则：

•每个 Web 应用自己的 Java 类文件和使用的库的 jar 包，分别放在 WEB-INF/classes和 WEB-INF/lib目录下面。 
•多个应用共享的 Java 类文件和 jar 包，分别放在 Web 容器指定的由所有 Web 应用共享的目录下面。 
•当出现找不到类的错误时，检查当前类的类加载器和当前线程的上下文类加载器是否正确。

十、总结 
   
类加载器是 Java 语言的一个创新。它使得动态安装和更新软件组件成为可能。本文详细介绍了类加载器的相关话题，包括基本概念、代理模式、线程上下文类加载器、与 Web 容器的关系等。开发人员在遇到 ClassNotFoundException和 NoClassDefFoundError等异常的时候，应该检查抛出异常的类的类加载器和当前线程的上下文类加载器，从中可以发现问题的所在。在开发自己的类加载器的时候，需要注意与已有的类加载器组织结构的协调。