谈谈 Java 类加载机制

最近在学习 Tomcat 架构，其中很重要的一个模块是类加载器，因为以前学习的不够深入，所以趁这个机会好好把类加载机制搞明白。

概述

类加载器主要分为两类，一类是 JDK 默认提供的，一类是用户自定义的。 JDK 默认提供三种类加载器：

Bootstrap ClassLoader 启动类加载器：每次执行 java 命令时都会使用该加载器为虚拟机加载核心类。该加载器是由 native code 实现，而不是 Java 代码，加载类的路径为 /jre/lib。特别的 /jre/lib/rt.jar 中包含了 sun.misc.Launcher 类， 而 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 和 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 都是 sun.misc.Launcher 的内部类，所以拓展类加载器和系统类加载器都是由启动类加载器加载的。

Extension ClassLoader, 拓展类加载器：用于加载拓展库中的类。拓展库路径为 /jre/lib/ext/。实现类为 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader

SystemClassLoader系统类加载器：用于加载 CLASSPATH 中的类。实现类为 sun.misc.Launcher$AppClassLoader

用户自定义的类加载器

Custom ClassLoader, 一般都是 java.lang.ClassLoder 的子类

正统的类加载机制是基于双亲委派的，也就是当调用类加载器加载类时，首先将加载任务委派给双亲，若双亲无法加载成功时，自己才进行类加载。

在实例化一个新的类加载器时，我们可以为其指定一个 parent，即双亲，若未显式指定，则 System ClassLoader 就作为默认双亲。

具体的说，类加载任务是由 ClassLoader 的 loadClass() 方法来执行的，他会按照以下顺序加载类：

通过 findLoadedClass() 看该类是否已经被加载。该方法为 native code 实现，若已加载则返回。

若未加载则委派给双亲，parent.loadClass()，若成功则返回。

若未成功，则调用 findClass() 方法加载类。java.lang.ClassLoader 中该方法只是简单的抛出一个 ClassNotFoundException 所以，自定义的 ClassLoader 都需要 Override findClass() 方法。

类加载API

java.lang.ClassLoader

ClassLoader 是一个抽象类。

待加载的类必须用 The Java™ Language Specification 定义的全类名，全类名的定义请查阅 The Form of a Binary。

给定一个全类名，类加载器应该去定位该类所在的位置。通用的策略是将全类名转换为类文件路径，然后通过类文件路径在文件系统中定位。

每一个加载到内存的类都由一个 Class 对象来表示，每一个 Class 对象都有一个指向加载该类的类加载器的引用。但是数组的 Class 对象是由 Java 运行时环境创建的，通过 Class.getClassLoader() 方法返回的是数组元素的类加载器，若数组元素是基本类型，则返回 null，若类是由 Bootstrap ClassLoader 加载的话也是返回 null。

public class Main {

   public static void main(String[] args) {

      // Object 类在 <java_home>/jre/lib/rt.jar 中，

      // 由 Bootstrap ClassLoader 加载，由于该类加载器是由 native code 编写

       // 所以输出为 null

      Object[] objects = new Object[5];

   System.out.println();

    System.out.println(objects.getClass().getClassLoader());

   // ZipFileAttributes 类在 <java_home>/jre/lib/ext/zipfs.jar 中，

       // 由 Extension ClassLoader 加载，

      // 输出为  sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4b67cf4d

       ZipFileAttributes[] attributes = new ZipFileAttributes[5];

      System.out.println();

       System.out.println(attributes.getClass().getClassLoader());

     // Main 类是自定义的类，

      // 默认由 System ClassLoader 加载，

        // 输出为 sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

     Main[] array = new Main[5];

      array[0] = new Main();

     System.out.println();

      System.out.println(array.getClass().getClassLoader());

  }

}

ClassLoader 默认支持并行加载，但是其子类必须调用 ClassLoader.registerAsParallelCapable() 来启用并行加载

一般来说,JVM 从本地文件系统加载类的行为是与平台有关的。

defineClass() 方法可以将字节流转换成一个 Class 对象。然后调用 Class.newInstance() 来创建类的实例

java.security.SecureClassLoader

增加了一层权限验证，因为关注点不在安全，所以暂不讨论。

java.net.URLClassLoader

该类加载器用来加载 URL 指定的 JAR 文件或目录中的类和资源，以 / 结尾的 URL 认为是目录，否则认为是 JAR 文件。

// 尝试通过 URLClassLoader 来加载桌面下的 Test 类。

public class Main {

    public static void main(String[] args) {

        try {

            URL[] urls = new URL[1];

            URLStreamHandler streamHandler = null;

            File classPath = new File("/home/chen/Desktop/");

            String repository = (new URL("file", null,

                    classPath.getCanonicalPath() + File.separator))

                    .toString();

            urls[0] = new URL(null, repository, streamHandler);

            ClassLoader loader = new URLClassLoader(urls);

            Class testClass = loader.loadClass("Test");

            // output:  java.net.URLClassLoader@7f31245a

            System.out.println(testClass.getClassLoader());

        } catch (MalformedURLException e) {

            e.printStackTrace();

        } catch (IOException e) {

            e.printStackTrace();

        } catch (ClassNotFoundException e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

}

Tomcat 8.5.15类加载机制

Tomcat 使用正统的类加载机制(双亲委派),但部分地方做了改动。

Bootstrap classLoader 和 Extension classLoader 的作用不变。

System classLoader 正常情况下加载的是 CLASSPATH 下的类，但是 Tomcat 的启动脚本并未使用该变量，而是从以下仓库下加载类：

$CATALINA_HOME/bin/bootstrap.jar 包含了 Tomcat 的启动类。在该启动类中创建了 Common classLoader、Catalina classLoader、shared classLoader。因为 $CATALINA_BASE/conf/catalina.properties 中只对 common.loader 属性做了定义，server.loader 和 shared.loader 属性为空，所以默认情况下，这三个 classLoader 都是 CommonLoader。具体的代码逻辑可以查阅 org.apache.catalina.startup.Bootstrap 类的 initClassLoaders() 方法和 createClassLoader() 方法。

$CATALINA_BASE/bin/tomcat-juli.jar 包含了 Tomcat 日志模块所需要的实现类。

$CATALINA_HOME/bin/commons-daemon.jar。

Common classLoader 是位于 Tomcat 应用服务器顶层的公用类加载器。由其加载的类可以由 Tomcat 自身类和所有应用程序使用。扫描路径由 $CATALINA_BASE/conf/catalina.properties 文件中的 common.loader 属性定义。默认是 $CATALINA_HOME/lib。

catalina classLoader 用于加载服务器内部可见类，这些类应用程序不能访问。

shared classLoader 用于加载应用程序共享类，这些类服务器不会依赖。

Webapp classLoader 。每个应用程序都会有一个独一无二的 webapp classloader，他用来加载本应用程序 /WEB-INF/classes 和 /WEB-INF/lib 下的类。

特别的：

Webapp classLoader 的默认行为会与正常的双亲委派模式不同：

从 Bootstrap classloader 加载。

若没有，从 /WEB-INF/classes 加载。

若没有，从 /WEB-INF/lib/*.jar 加载。

若没有，则依次从 System、Common、shared 加载（该步骤使用双亲委派）。

当然了，我们也可以通过配置来使 Webapp classLoader 严格按照双亲委派模式加载类：

通过在工程的 META-INF/context.xml（和 WEB-INF/classes 在同一目录下） 配置文件中添加 <Loader delegate="true"/>

因为 Webapp classLoader 的实现类是 org.apache.catalina.loader.WebappLoader，他有一个属性叫 delegate， 用来控制类加载器的加载行为，默认为 false，我们可以使用 set 方法，将其设为 true 来启用严格双亲委派加载模式。

严格双亲委派模式加载步骤：

从 Bootstrap classloader 加载。

若没有，则依次从 System、Common、shared 加载。

若没有，从 /WEB-INF/classes 加载。

若没有，从 /WEB-INF/lib/*.jar 加载。

作者：java菜
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