Roc's Blog

Java 从头再来（一）：大话 Java 类加载过程以及类加载器的双亲委派机制

一：Java 的类加载过程

在说类加载器之前，先说一下 Java 的类加载过程，既然是做 Java 的牛逼程序员，总不能面试的时候就说直接 java -jar 运行 jar 包 或者 war 包不就完了，面试嘛 。。。咱们肯定要高大上一点，开始下面的装逼模板（别墨迹，直接背就行）：

-> 执行 java 命令 
-> 调用脚本文件创建 Java 虚拟机（C++实现）
-> 创建引导类加载器（C++实现）
-> C++ 通过 JNI 的方式调用 Java 代码（sun.misc.Launcher.getLauncher() ），创建 JVM 启动实例（Launcher 的实例）
-> 获取自己的类加载器（AppClassLoader 的实例）：launcher.getClassLoader() 
-> 调用 loadClass 加载要运行的类 ：classLoader.loadClass("com.havemail.demo.XXX") 
-> C++ 发起调用，执行 main 方法 
-> Java 程序运行结束，JVM 销毁

loadClass 的类加载过程主要分为：加载 -> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化 -> 使用 -> 卸载。其中验证、准备与解析也可以称为连接过程。

  • 加载：加载字节码文件（class 文件），用到哪些类就加载哪些 class 文件；在加载过程中会在内存中生成每个类的 java.lang.Class 对象，作为方法区这个类的各种数据的入口。
  • 验证：验证字节码文件的正确性，安全性等。
  • 准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配 。
  • 解析：将常量池内的符号引用（比如 main 方法）替换为直接引用（内存的指针或句柄等）的过程，该过程为静态链接过程。
  • 初始化：执行静态代码块，对类的静态变量初始化为指定的值；将默认值换成声明类变量时指定的初始值。

二：Java 类加载器

Java 主要提供了下面几种类加载器（3个默认1个自定义）：

1. 引导类加载器（BootStrap ClassLoader）

  • 负责加载 %JAVA_HOME%/jre/lib 目录下的核心类库，比如 rt.jar、charsets.jar 等；
  • 负责加载 %JAVA_HOME%/jre/classes 中的类。
  • 由 JVM 底层的 C/C++ 实现，Java 代码访问不到该加载器。
  • 加载 -Xbootclasspath 参数指定的路径。

可以通过代码查看该类加载器加载了哪些 jar 包：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        URL[] url = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (int i = 0; i < url.length; i++) {
            System.out.println(url[i].toExternalForm());
        }
    }
}

输出结果如下所示：

file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_251.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_251.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_251.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_251.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_251.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_251.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_251.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_251.jdk/Contents/Home/jre/classes

2. 扩展类加载器（Ext ClassLoader）

全称：Extensions ClassLoader

  • 加载 Java 的扩展列库，默认加载 %JAVA_HOME%/jre/lib/ext 扩展目录中的 jar 文件以及由 java.ext.dirs 系统变量指定的路径下的 jar 文件。
  • Ext ClassLoader 是 App ClassLoader 的父加载器（并不是说的父类）。

扩展类加载器加载的路径可以通过代码查看：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
    }
}

输出如下：

/Users/roc/Library/Java/Extensions:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_251.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext:/Library/Java/Extensions:/Network/Library/Java/Extensions:/System/Library/Java/Extensions:/usr/lib/java

3. 应用程序类加载器（App ClassLoader）

【注】因为通过 ClassLoader.getSystemClassLoader() 获得的是 App ClassLoader，也可称为 系统类加载器。

  • 负责加载 ClassPath 路径下的类包与文件，主要是加载开发人员编写的类文件。
  • Java 程序默认的类加载器。
  • 加载 -classpath 指定的类包与文件。
  • 如果没有特别指定，则用户自定义的任何类加载器都会将该加载器作为它的父加载器。

通过代码可以获取 ClassPath 的加载路径：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
    }
}

输出的结果有点多，仅放关键的部分:

....
/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_251.jdk/Contents/Home/lib/sa-jdi.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_251.jdk/Contents/Home/lib/tools.jar:/Users/roc/Downloads/HelloJava/out/production/HelloJava:/Applications/IntelliJ IDEA.app/Contents/lib/idea_rt.jar

【注】在 IDEA 中如果是纯 Java 项目则为 out 目录，J2EE 项目则为 target 目录。

4. 自定义类加载器（Custom ClassLoader）

  • 加载用户自定义路径下的类包。可以通过继承自 java.lang.ClassLoader 类的方式来实现，以满足特定的场景。

5. 类加载器初始化过程

先看源码再说：

public class Launcher {
   // ① 
    private static Launcher launcher = new Launcher();
    private ClassLoader loader;
    
    // ... 

    // ④
    public static Launcher getLauncher() {
        return launcher;
    }

    public Launcher() {
        Launcher.ExtClassLoader var1;
        try {
            // ②
            var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException var10) {
            throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
        }

        try {
            // ③
            this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
        } catch (IOException var9) {
            throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
        }

        // ...
    }

    public ClassLoader getClassLoader() {
        return this.loader;
    }
    
    // ...
}

具体过程如下：

① 当系统启动的时候会创建一个 Launcher 的静态实例（采用了单例模式，保证只有一个实例）；

② Launcher 的构造方法会创建一个 ExtClassLoader 的实例，

③ 然后将 ExtClassLoader 的实例传入到 AppClassLoader 作为其父加载器并返回 AppClassLoader 实例，然后赋值给 loader

④ 然后 C++ 通过 JNI 调用 Launcher 类中的 getLauncher() 方法获取到实例。

【注】JVM 默认使用 getClassLoader() 方法返回的类加载器（AppCLassLoader 的实例）来加载我们的应用，所以 AppClassLoader 是 Java 的默认类加载器。

三：类加载器加载机制 – 双亲委派机制

上面说的仅仅是类加载器的初始化流程，接下来就是类加载器的加载机制（也就是当虚拟机需要加载某个类了，这个类如何加载到 JVM 中的过程），Java 的类加载机制使用的是 – 双亲委派机制，那么什么是双亲委派机制呢？

【注】

  • 类加载器加载类的时候，并不会将所有的类完全加载，在程序启动的时候仅仅加载用到的类。
  • 加载器加载返回的内容是：在内存中生成的这个类的 java.lang.Class 对象
- 我们自己写了一个 Demo 类，然后运行的时候用到了这个类。
- JVM 想要加载 Demo 类，先让应用程序类加载器加载，应用程序类加载器从已加载的类中查找，如果有则直接返回；没有的话，然后应用程序类会委托给扩展类加载器来加载（委托）；
- 扩展类加载器收到后，从其已加载的类中查找，如果有则直接返回；没有的话，然后会委托给启动类加载器来加载（委托）；
- 启动类加载器收到后，从其已加载的类中查找 Demo 类，找到了直接返回；找不到就从自己的加载路径中加载 Demo 类，找到了直接返回，找不到则将请求派给扩展类加载器（派遣）；
- 扩展类加载器收到后，就从自己的加载路径中加载 Demo 类，找到了直接返回，找不到则将请求派给应用类加载器（派遣）；
- 应用类加载器收到后，则从自己的加载路径中加载 Demo 类，找到了直接返回，如果找不到则会抛出异常：ClassNotFound。

这里是拿App ClassLoader 、Ext ClassLoader 与 Bootstrap ClassLoader 举例，如果有自定义加载器的话也是一样的道理，默认 AppClassLoader 是 自定义加载器的父加载器，他们四者的层级关系入下图所示：

【注】简单一句话总结：双亲委派机制就是先找父亲加载，不行再由儿子自己加载；引导类加载器没有上一级，只能是加载。

四：常见面试题

1. 为什么要使用双亲委派机制

  • 避免类的重复加载：当父亲已经加载了该类时，就没有必要让子 ClassLoader 再次加载一边，保证类的唯一性。
  • 沙箱安全机制：防止开发人员恶意重写 JDK 原有的核心类，从而导致程序有很大的安全问题。

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