18.2 类加载器 18.2.1 类加载机制

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18.2 类加载器

类加载器的作用

类加载器负责将.class文件加载到内存中,并为之生成对应的java.lang.Class对象。

18.2.1 类加载器简介

类加载器负责加载所有的类,系统为所有被载入内存中的类生成一个java.lang.Class实例。一旦个类被载入JVM中,同一个类就不会被再次载入了。现在的问题是,怎么样才算”同一个类”。
正如一个对象有一个唯一的标识一样,一个载入JVM的类也有一个唯一的标识。

Java中用 全限定类名 作为类的标识

在Java中,一个类用其全限定类名(包括包名和类名)作为标识;

JVM中用 全限定类名和该类的类加载器 作为类的标识

在JVM中,一个类用其全限定类名和其类加载器作为其唯一标识。
例如,如果在pg的包中有一个名为Person的类,被类加载器ClassLoader的实例k1负责加载,则该Person类对应的Class象在JVM中表示为(Person,pg,k1)。
这意味着两个类加载器加载的同名类:(Person,pg,k1)和(Person,pg,k2)是不同的、它们所加载的类也是完全不同、互不兼容的。

三个类加载器 根类加载器 扩展类加载器 系统类加载器

JVM启动时,会形成由三个类加载器组成的初始类加载器层次结构.

  • Bootstrap Classloader:根类加载器。
  • Extension ClassLoader:扩展类加载器。
  • System ClassLoader:系统类加载器。

JVM类加载机制

JVM的类加载机制主要有如下三种

  1. 全盘负责。所谓全盘负责,就是当一个类加载器负责加载某个Class时,该Class所依赖的和引用的其他Class也将由该类加载器负责载入,除非显式使用另外一个类加载器来载入
  2. 父类委托。所谓父类委托,则是先让parent(父)类加载器试图加载该Class,只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类。
  3. 缓存机制。缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存,当程序中需要使用某个Class时,类加载器先从缓存区中搜寻该Class,只有当缓存区中不存在该Class对象时,系统才会读取该类对应的二进制数据,并将其转换成Class对象,存入缓存区中。这就是为什么修改了Class后,必须重新启动JVM,程序所做的修改才会生效的原因。

类加载器之间的父子关系并不是类继承上的父子关系,这里的父子关系是类加载器实例之间的关系

除了可以使用Java提供的类加载器之外,开发者也可以实现自己的类加载器,自定义的类加载器通过继承ClassLoader来实现。

类加载器层次结构

JVM中这4种类加载器的层次结构如图18.1所示。
这里有一张图片

程序示例 访问JVM类加载器

下面程序示范了访问JVM的类加载器。

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import java.util.*;
import java.net.*;
import java.io.*;

public class ClassLoaderPropTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 获取系统类加载器
        ClassLoader systemLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println("系统类加载器：" + systemLoader);
        /*
         * 获取系统类加载器的加载路径——通常由CLASSPATH环境变量指定 如果操作系统没有指定CLASSPATH环境变量，默认以当前路径作为
         * 系统类加载器的加载路径
         */
        Enumeration<URL> em1 = systemLoader.getResources("");
        while (em1.hasMoreElements()) {
            System.out.println(em1.nextElement());
        }
        // 获取系统类加载器的父类加载器：得到扩展类加载器
        ClassLoader extensionLader = systemLoader.getParent();
        System.out.println("扩展类加载器：" + extensionLader);
        System.out.println("扩展类加载器的加载路径：" + System.getProperty("java.ext.dirs"));
        System.out.println("扩展类加载器的parent: " + extensionLader.getParent());
    }
}

运行上面程序,会看到如下运行结果:

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系统类加载器：jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@15615099
file:/C:/Users/lan/AppData/Roaming/Code/User/workspaceStorage/df816d125d28dbce7d1e9b6ffdd792d2/redhat.java/jdt_ws/18.2_b30957d7/bin/
扩展类加载器：jdk.internal.loader.ClassLoaders$PlatformClassLoader@1c6b6478
扩展类加载器的加载路径：null
扩展类加载器的parent: null

从上面运行结果可以看出,系统类加载器的加载路径是程序运行的当前路径,扩展类加载器的加载路径是null(与Java8有区别),但此处看到扩展类加载器的父加载器是null,并不是根类加载器。这是因为根类加载器并没有继承ClassLoader抽象类,所以扩展类加载器的getParent()方法返回null,但实际上,扩展类加载器的父类加载器是根类加载器,只是根类加载器并不是Java实现的.

从运行结果可以看出,系统类加载器是AppClassLoader的实例,扩展类加载器PlatformClassLoader的实例。实际上,这两个类都是URLClassloader类的实例。
JVM的根类加载器并不是Java实现的,而且由于程序通常无须访问根类加载器,因此访问扩展类加载器的父类加载器时返回null

类加载器加载Class步骤

类加载器加载Class大致要经过如下8个步骤。

  1. 检测此Class是否载入过(即在缓存区中是否有此Class),如果有则直接进入第8步,否则接着执行第2步。
  2. 如果父类加载器不存在(如果没有父类加载器,则要么parent一定是根类加载器,要么本身就是根类加载器),则跳到第4步执行;如果父类加载器存在,则接着执行第3步。
  3. 请求使用父类加载器去载入目标类,如果成功载入则跳到第8步,否则接着执行第5步。
  4. 请求使用根类加载器来载入目标类,如果成功载入则跳到第8步,否则跳到第7步。
  5. 当前类加载器尝试寻找Class文件(从与此ClassLoader相关的类路径中寻找),如果找到则执行第6步,如果找不到则跳到第7步。
  6. 从文件中载入Class,成功载入后跳到第8步。
  7. 抛出ClassNotFoundException异常。
  8. 返回对应的java.Lang.Class对象。

其中,第5、6步允许重写ClassLoader的findClass()方法来实现自己的载入策略,甚至重写loadclass方法来实现自己的载入过程。

Bootstrap ClassLoader 引导类加载器

Bootstrap ClassLoader被称为引导类加载器,(也称为原始类加载器或根类加载器),它负责加载Java的核心类。在Sun的JVM中,当执行java.exe命令时,使用-Xbootclasspath选项或使用-D选项指定sun.boot.classpath系统属性值可以指定加载附加的类

根类加载器(Bootstrap ClassLoader)非常特殊,它并不是java.lang.ClassLoader的子类,而是由JVM自身实现的。

程序示例 根类加载器

下面程序可以获得根类加载器所加载的核心类库。

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import java.net.*;

public class BootstrapTest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        // 获取根类加载器所加载的全部URL数组
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.
        getBootstrapClassPath().getURLs();
        // 遍历、输出根类加载器加载的全部URL
        for (int i = 0; i < urls.length; i++)
        {
            System.out.println(urls[i].toExternalForm());
        }
    }
}

运行结果如下:

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file:/E:/java/jdk1.8.0_91/jre/lib/resources.jar
file:/E:/java/jdk1.8.0_91/jre/lib/rt.jar
file:/E:/java/jdk1.8.0_91/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/E:/java/jdk1.8.0_91/jre/lib/jsse.jar
file:/E:/java/jdk1.8.0_91/jre/lib/jce.jar
file:/E:/java/jdk1.8.0_91/jre/lib/charsets.jar
file:/E:/java/jdk1.8.0_91/jre/lib/jfr.jar
file:/E:/java/jdk1.8.0_91/jre/classes

看到这个运行结果,读者应该明白为什么程序中可以使用String、 System这些核心类库—因为这些核心类库都在rt.jar文件中。

Extension ClassLoader类加载器

Extension ClassLoader被称为扩展类加载器,它负责加载JRE的扩展目录中JAR包的类,扩展目录为:%JAVA_HOME%/jre/lib/ext或者由java.ext.dirs系统属性指定的目录。

System ClassLoader类加载器

System ClassLoader被称为系统类加载器,也称为应用类加载器,它负责在JVM启动时加载来自java命令的 -classpath选项、 java.class.path系统属性,或CLASSPATH环境变量所指定的JAR包和类路径。程序可以通过ClassLoader的getSystemClassLoader静态方法来获取系统类加载器。如果没有特别指定,则用户自定义的类加载器都以系统类加载器作为父加载器。