深入浅出Java的类加载机制使用自己的类别载入器

Java只有当需要使用类的时候，才会将类载入。java类的载入，是通过类加载器进行的。

在命令模式下，执行java ***指令之后，java程序会找到JRE安装的所在目录，然后找到jvm.dll，通过他启动JVM并进行虚拟机的初始化的操作。 JVM启动并初始化完成之后，就会产生Bootstrap Loader这个类加载器，这个类加载器通常是c或c++写的。Bootstrap Loader随后又会继续载入Extended Loader这个类加载器，并且设定Extended Loader的父加载器为自己Bootstrap Loader。接着Bootstrap Loader继续载入System Loader，并且将System Loader的parent设定为Extended Loader。

Bootstrap Loader通常由C语言写成；Extended Loader是由Java所成，如果是Sun JDK，实际是对应sun.misc.Launcher$ExtClassLoader（Launcher中的內部类别）；System Loader是由Java成，實際对应于sun.misc. Launcher$AppClassLoader（Launcher中的內部类别）。

加载器的加载过程如下图描述：

image.png

Bootstrap Loader加载器进行类加载时会搜索sun.boot.class.path中指定位置中的类，一般预设路径是在JRE所在目录的classes下之.class文件，或者lib目录下.jar档案中（例如rt.jar）中的类载入。可以使用System.getProperty("sun.boot.class.path")来获取sun.boot.class.path中指定的路径，例如在我的笔记本中显示的是以下的路径：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\resources.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\rt.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\sunrsasign.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\jsse.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\jce.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\charsets.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\jfr.jar
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\classes

我们解压rt.jar看下里面到底是哪些class

image.png

image.png

我们可以很熟悉这个结构了，可以确认Bootstrap Loader类加载器加载的基本是java api的内容，基础类库都在这里。

Extended Loader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）是由Java写的，会搜索java.ext.dirs中 指定位置的类，一般初始设定是JRE目录下的lib\ext\classes目录下的.class，或lib\ext目录下的.jar包中的类。可以使用System.getProperty("java.ext.dirs")來显示java.ext.dirs中指定的路径，例如在我的笔记本中显示的是以下的路径：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_131\lib\ext
C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

正如这个加载器的名字所示，它主要负责java的一些扩展类库。

System Loader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）是由Java写的，会查找系統参数java.class.path中指定位置中的类，也就是Classpath所指定的路径，初始设定是目前工作路径下的.class类。可以使用System.getProperty("java.class.path")來显示java.class.path中指定的路径，在使用java执行java程序时，也可以加上-cp來覆盖原有的Classpath设置。

例如，我们编写一个简单的java程序输出系统加载器的路径：

package ClassLoader;

public class Main {

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

    }

}

image.png

我们发现系统加载器会去加载当前程序project所在的class路径。

我们来总结一下类加载器载入类的过程。

• Bootstrap Loader会在JVM启动和初始化之后产生
• 随后它会载入Extended Loader并将其parent设为Bootstrap Loader
• 然后Bootstrap Loader再载入System Loader并将其parent设定为ExtClassLoader
• 接着System Loader开始载入您指定的类

在载入类时，每个类载入器会先将载入类的任务交由他的parent去执行，如果parent找不到，才由转到由自己载入， 所以在载入类时，会以Bootstrap Loader→Extended Loader→System Loader的顺序来寻找类，如果都找不到，就会丟出 NoClassDefFoundError。

类别载入器在Java中是以java.lang.ClassLoader类型存在， 每一個类被载入后，都会有一个Class的实例來代表这个类，而每个由这个类生成的实例都会记得自己是由哪个ClassLoader载入的，java中提供了getclass方法可以从实例获取它的class实例，然后可以由Class的 getClassLoader()获得载入该类的ClassLoader，而从ClassLoader的getParent()方法可以取得自己的 parent。

假如我们有一个someclass类，那么类别载入器之间的关系是：

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我们可以写个程序来获取载入器的信息

// 取得SomeClass的Class實例
    Class c = Class.forName("SomeClass");
    // 取得ClassLoader
    ClassLoader loader = c.getClassLoader();
    System.out.println(loader);
    // 取得父ClassLoader
    System.out.println(loader.getParent());
    // 再取得父ClassLoader
    System.out.println(loader.getParent().getParent());

所展示的结果是：

sun.misc.Launcher\$AppClassLoader@19821f
sun.misc.Launcher\$ExtClassLoader@addbf1
null

SomeClass 是个自定义的类，你在目前的工作目录下执行java程序，首先AppClassLoader会将载入的任务交给ExtClassLoader，而 ExtClassLoader会将载入的类交给Bootstrap Loader，由于Bootstrap Loader在它的路径设定（sun.boot.class.path）下找不到类，所以由ExtClassLoader来寻找，而 ExtClassLoader在它的的路径中（java.ext.dirs）下也找不到该类，所以由AppClassLoader来寻找， AppClassLoader最后在Classpath（java.class.path）设定的路径寻找载入的类，并且找到了，如果还没找到就会抛出classnotfoundexception。

载入 SomeClass的ClassLoader是AppClassLoader，而AppClassLoader的parent是 ExtClassLoader，而ExtClassLoader的parent是null，null并不是表示ExtClassLoader没有设置 parent，而是因为Bootstrap Loader通常由C写的，所以在Java中并没有一个实际的类别来表示它，所以才会显示为null。

如果把SomeClass的.class文件移至JRE目录下的lib\ext\classes下，并重新执行程序，你会看到以下的信息：

sun.misc.Launcher\$ExtClassLoader@addbf1
null
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
        at Main.main(Main.java:12)

由于这次可以在extclassloader指定的路径找到，所以会有extclassloader来载入someclass的实例，而extclassloader的parent为null，指的是他的父亲是bootstraploader。

我们再实验，将class文件放到bootstraploader的目录下，也就是jre的classes目录下，那么运行结果就会如下：

null
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
        at Main.main(Main.java:10)

这次直接就可以在bootstrap中找到了所以就显示null。

** loadclass方法载入实例时，不会执行静态区域，而是会等到真正使用类来初始化实例的时候的执行 **

使用自己的类别载入器

由同一个classloader载入的类，会只有一个class对象的实例，如果同一个类是由不同的loader载入的话，就会有两个不同的classloader实例。注意这个说法。如果两个不同的类别在搜索同一个类，如果在appclassloader就搜到的话，那么class实例就只有一个。如果上面三个loader都找不到，最后在各自的classloader里找到了，class实例才会有两份。

在 不同的環境中，應用程式可能會設定自己的類別載入器，例如在Tomcat的類別載入器，會找尋Tomcat目錄中lib中的jar檔案之類別，而Web應 用程式也會從WEB-INF的lib中找尋jar檔案，以及從WEB-INF/classes中找尋.class檔，搞清楚類別載入器載入檔案的位置與順 序，遇到ClassNotFoundException或是NoClassDefFoundError時，才會知道要在哪邊確認類別檔案是否存在。