JVM 类装载原理分析－ClassLoader原理分析

　　Java应用环境中不同的class分别由不同的ClassLoader负责加载。JVM提供了三个默认的ClassLoader：Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader、App ClassLoader， 其中Bootstrap ClassLoader是JVM级别的，由C++编写，Extension ClassLoader、App ClassLoader都是Java类，继承自URLClassLoader超类。Bootstrap ClassLoader由JVM启动，然后初始化sun.misc.Launcher， sun.misc.Launcher初始化Extension ClassLoader和App ClassLoader。
　　三个默认ClassLoader关系为：Bootstrap ClassLoader是Extension ClassLoader的parent，Extension ClassLoader是App ClassLoader的parent，但这并不是继承关系，只是语意上的定义，基本上每一个ClassLoader实现，都有一个Parent ClassLoader，可通过getParent()方法获取当前ClassLoader的parent。Bootstrap ClassLoader比较特殊，因为它不是Java class，所以Extension ClassLoader的getParent()方法返回NULL。如下：

public class Test {

    public static void main(String [] args) {

        ClassLoader cl = Test.class.getClassLoader();

        while (cl != null) {
            System.out.println(cl + "'s parent ClassLoader is " + cl.getParent());
            cl = cl.getParent();
        }
    }

}

返回结果：
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2's parent ClassLoader is sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4617c264
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4617c264's parent ClassLoader is null

• 1. Bootstrap ClassLoader
  　　Bootstrap ClassLoader称为启动类加载器，是Java类加载层次中最顶级的加载，负责加载JDK中的核心类库，如：rt.jar、resource.jar、charsets.jar等，Bootstrap类加载器的加载目录由系统属性（sun.boot.class.path）指定，目录如下：

  public class Test {
  
      public static void main(String [] args) {
  
          // 也可通过 System.getProperty("sun.boot.class.path" 获取
          URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
          for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
              System.out.println(urls[i].toExternalForm());
          }
  
      }
  
  }
  
  本机JDK环境返回结果:
  file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_121.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar
  file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_121.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar
  file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_121.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar
  file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_121.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar
  file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_121.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar
  file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_121.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar
  file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_121.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar
  file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_121.jdk/Contents/Home/jre/classes
  

• 2. Extension ClassLoader
  　　Extension ClassLoader称为扩展类加载器，负责加载Java的扩展类库，默认加载JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下的所有文件。Extension ClassLoader是JVM启动类（sun.misc.Launcher）的内部类，继承自java.net.URLClassLoader类。其加载目录由系统属性（java.ext.dirs）指定。本机加载目录如下：

  public class Test {
  
      public static void main(String [] args) {
  
  
          String paths = System.getProperty("java.ext.dirs");
  
          String [] pathList = paths.split(File.pathSeparator);
  
          for(String path : pathList) {
              System.out.println(path);
          }
      }
  
  }
  
  本机返回结果：
  /Users/Jerry/Library/Java/Extensions
  /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_121.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext
  /Library/Java/Extensions
  /Network/Library/Java/Extensions
  /System/Library/Java/Extensions
  /usr/lib/java

• 3.App ClassLoader
  　　App ClassLoader称为系统类加载器，负责加载应用程序classpath目录下的所有jar和class文件。App ClassLoader既是加载系统属性（java.class.path）的类加载器，加载目录如下：

  package test;
  
  import java.io.File;
  
  public class Test {
  
      public static void main(String [] args) {
  
  
          String paths = System.getProperty("java.class.path");
  
          String [] pathList = paths.split(File.pathSeparator);
  
          for(String path : pathList) {
              System.out.println(path);
          }
      }
  
  }
  
  本机命令行编译并执行：java -cp /Users/Jerry/documents:/Users/Jerry/documents/workspace/xf-test test.Test
  
  返回结果：
  /Users/Jerry/documents
  /Users/Jerry/documents/workspace/xf-test

  　　如果不指定classpath，本地执行返回当前目录（”.”），如果通过IDE执行，则会返回IDE设定的classpath值

• 4.自定义ClassLoader
  　　除了Java默认提供的三种ClassLoader外，用户也可以根据自己需要，通过继承ClassLoader超类定义属于自己的ClassLoader。范例如下：
  　定义自己的ClassLoader类，当通过ClassLoader.loadClass()方法加载类时，如果加载不到对应的类，则会调用自定义ClassLoader的findClass方法继续加载类，详见下一节：

  public class MyClassLoader extends ClassLoader{
  
      public static final String driver = "/Users/Jerry/Desktop/";
      public static final String fileTyep = ".class";
  
      public Class findClass(String name) {
          byte[] data = loadClassData(name);
          return defineClass(data, 0, data.length);
      }
  
      public byte[] loadClassData(String name) {
          FileInputStream fis = null;
          byte[] data = null;
          try {
              File file = new File(driver + name + fileTyep);
              System.out.println(file.getAbsolutePath());
              fis = new FileInputStream(file);
              ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
              int ch = 0;
              while ((ch = fis.read()) != -1) {
                  baos.write(ch);
              }
              data = baos.toByteArray();
          } catch (IOException e) {
              e.printStackTrace();
              System.out.println("loadClassData-IOException");
          }
          return data;
      }
  }

  编写测试类，编译，并将class文件移动到在MyClassLoade的driver目录下：

  package test;
  
  public class Test {
  
      public void sayHello(String name) {
          System.out.println("hello " + name);
      }

  测试MyClassLoader:

  public class Test {
  
      public static void main(String[] args) {
          MyClassLoader cl1 = new MyClassLoader();
          try {
              Class c1 = cl1.findClass("Test");  // 或调用：Class c1 = cl1.loadClass("Test");
              Object object = c1.newInstance();
              Method method = c1.getMethod("sayHello", String.class);
              method.invoke(object, "Jerry");
          } catch (IllegalAccessException e) {
              e.printStackTrace();
          } catch (InstantiationException e) {
              e.printStackTrace();
          } catch (NoSuchMethodException e) {
              e.printStackTrace();
          } catch (InvocationTargetException e) {
              e.printStackTrace();
          }
      }
  
  }  
  
  返回结果：
  /Users/Jerry/Desktop/Test.class
  hello Jerry

• 5.双亲委托模型
  　　ClassLoader使用双亲委托模型来搜索类，当一个ClassLoader实例需要加载某个类时，它会检查是否已经加载过该类，如果没有加载过会把该任务委托给它的父类加载器，逐级向上检查是否已经加载过这个类。如果该类各级都未加载过，则自上而下尝试加载该类，任何一级加载到该类则返回，最终未加载到该类则返回ClassNotFoundException异常。
  　　ClassLoader loadClass()方法原码如下，类加载大致过程为：
  　　[1] 当前加载器检查类是否已被加载，如果已被加载则返回，否则交由父加载器加载
  　　[2] 如果父加载器不为空，则由父加载加载，如果父加载器为空，则交由Bootstrap 加载器加载
  　　[3] 如果父加载器加载失败，则尝试通过findClass()方法亲自加载类

  protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
          throws ClassNotFoundException
      {
          synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
              // [1] 检查类是否已被加载
              Class c = findLoadedClass(name);
              if (c == null) {
                  long t0 = System.nanoTime();
                  try {
                      if (parent != null) {
                          // [2] 如果父加载器不为空，则交由父类加载
                          c = parent.loadClass(name, false);
                      } else {
                          //  [3] 如果父类加载器为空，则交由Bootstrap ClassLoader加载
                          c = findBootstrapClassOrNull(name);
                      }
                  } catch (ClassNotFoundException e) {
  
                  }
  
                  if (c == null) {
                      // [4] 如果委托的父加载器未加载到类，则尝试亲自加载类
                      long t1 = System.nanoTime();
                      c = findClass(name);
                      sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                      sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                      sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                  }
              }
              if (resolve) {
                  resolveClass(c);
              }
              return c;
          }
      }
  

  ClassLoader体系结构如下：