Java 技术之类加载机制

类加载机制是 Java 语言的一大亮点,使得 Java 类可以被动态加载到 Java 虚拟机中。

这次我们抛开术语和概念,从例子入手,由浅入深地讲解 Java 的类加载机制。

本文涉及知识点:双亲委托机制、BootstrapClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader、自定义网络类加载器等

文章涉及代码:
https://github.com/wingjay/HelloJava/blob/master/common/src/classloader/HelloClassLoader.java

什么是 Java 类加载机制?

Java 虚拟机一般使用 Java 类的流程为:首先将开发者编写的 Java 源代码(.java文件)编译成 Java 字节码(.class文件),然后类加载器会读取这个 .class 文件,并转换成 java.lang.Class 的实例。有了该 Class 实例后,Java 虚拟机可以利用 newInstance 之类的方法创建其真正对象了。

ClassLoader 是 Java 提供的类加载器,绝大多数的类加载器都继承自 ClassLoader,它们被用来加载不同来源的 Class 文件。

Class 文件有哪些来源呢?

上文提到了 ClassLoader 可以去加载多种来源的 Class,那么具体有哪些来源呢?

首先,最常见的是开发者在应用程序中编写的类,这些类位于项目目录下;

然后,有 Java 内部自带的核心类java.langjava.mathjava.io 等 package 内部的类,位于 $JAVA_HOME/jre/lib/ 目录下,如 java.lang.String 类就是定义在 $JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar 文件里;

另外,还有 Java 核心扩展类,位于 $JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录下。开发者也可以把自己编写的类打包成 jar 文件放入该目录下;

最后还有一种,是动态加载远程的 .class 文件。

既然有这么多种类的来源,那么在 Java 里,是由某一个具体的 ClassLoader 来统一加载呢?还是由多个 ClassLoader 来协作加载呢?

哪些 ClassLoader 负责加载上面几类 Class?

实际上,针对上面四种来源的类,分别有不同的加载器负责加载。

首先,我们来看级别最高的 Java 核心类,即$JAVA_HOME/jre/lib 里的核心 jar 文件。这些类是 Java 运行的基础类,由一个名为 BootstrapClassLoader 加载器负责加载,它也被称作 根加载器/引导加载器。注意,BootstrapClassLoader 比较特殊,它不继承 ClassLoader,而是由 JVM 内部实现;

然后,需要加载 Java 核心扩展类,即 $JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录下的 jar 文件。这些文件由 ExtensionClassLoader 负责加载,它也被称作 扩展类加载器。当然,用户如果把自己开发的 jar 文件放在这个目录,也会被 ExtClassLoader 加载;

接下来是开发者在项目中编写的类,这些文件将由 AppClassLoader 加载器进行加载,它也被称作 系统类加载器 System ClassLoader

最后,如果想远程加载如(本地文件/网络下载)的方式,则必须要自己自定义一个 ClassLoader,复写其中的 findClass() 方法才能得以实现。

因此能看出,Java 里提供了至少四类 ClassLoader 来分别加载不同来源的 Class。

那么,这几种 ClassLoader 是如何协作来加载一个类呢?

这些 ClassLoader 以何种方式来协作加载 String 类呢?

String 类是 Java 自带的最常用的一个类,现在的问题是,JVM 将以何种方式把 String class 加载进来呢?

我们来猜想下。

首先,String 类属于 Java 核心类,位于 $JAVA_HOME/jre/lib 目录下。有的朋友会马上反应过来,上文中提过了,该目录下的类会由 BootstrapClassLoader 进行加载。没错,它确实是由 BootstrapClassLoader 进行加载。但,这种回答的前提是你已经知道了 String 在 $JAVA_HOME/jre/lib 目录下。

那么,如果你并不知道 String 类究竟位于哪呢?或者我希望你去加载一个 unknown 的类呢?

有的朋友这时会说,那很简单,只要去遍历一遍所有的类,看看这个 unknown 的类位于哪里,然后再用对应的加载器去加载。

是的,思路很正确。那应该如何去遍历呢?

比如,可以先遍历用户自己写的类,如果找到了就用 AppClassLoader 去加载;否则去遍历 Java 核心类目录,找到了就用 BootstrapClassLoader 去加载,否则就去遍历 Java 扩展类库,依次类推。

这种思路方向是正确的,不过存在一个漏洞。

假如开发者自己伪造了一个 java.lang.String 类,即在项目中创建一个包java.lang,包内创建一个名为 String 的类,这完全可以做到。那如果利用上面的遍历方法,是不是这个项目中用到的 String 不是都变成了这个伪造的 java.lang.String 类吗?如何解决这个问题呢?

解决方法很简单,当查找一个类时,优先遍历最高级别的 Java 核心类,然后再去遍历 Java 核心扩展类,最后再遍历用户自定义类,而且这个遍历过程是一旦找到就立即停止遍历。

在 Java 中,这种实现方式也称作 双亲委托。其实很简单,把 BootstrapClassLoader 想象为核心高层领导人, ExtClassLoader 想象为中层干部, AppClassLoader 想象为普通公务员。每次需要加载一个类,先获取一个系统加载器 AppClassLoader 的实例(ClassLoader.getSystemClassLoader()),然后向上级层层请求,由最上级优先去加载,如果上级觉得这些类不属于核心类,就可以下放到各子级负责人去自行加载。

如下图所示:
双亲委托

真的是按照双亲委托方式进行类加载吗?

下面通过几个例子来验证上面的加载方式。

开发者自定义的类会被 AppClassLoader 加载吗?

在项目中创建一个名为 MusicPlayer 的类文件,内容如下:

  • package classloader;
  • public class MusicPlayer {
  • public void print() {
  • System.out.printf("Hi I'm MusicPlayer");
  • }
  • }

然后来加载 MusicPlayer

  • private static void loadClass() throws ClassNotFoundException {
  • Class<?> clazz = Class.forName("classloader.MusicPlayer");
  • ClassLoader classLoader = clazz.getClassLoader();
  • System.out.printf("ClassLoader is %s", classLoader.getClass().getSimpleName());
  • }

打印结果为:

  • ClassLoader is AppClassLoader

可以验证,MusicPlayer 是由 AppClassLoader 进行的加载。

验证 AppClassLoader 的双亲真的是 ExtClassLoader 和 BootstrapClassLoader 吗?

这时发现 AppClassLoader 提供了一个 getParent() 的方法,来打印看看都是什么。

  • private static void printParent() throws ClassNotFoundException {
  • Class<?> clazz = Class.forName("classloader.MusicPlayer");
  • ClassLoader classLoader = clazz.getClassLoader();
  • System.out.printf("currentClassLoader is %s\n", classLoader.getClass().getSimpleName());
  • while (classLoader.getParent() != null) {
  • classLoader = classLoader.getParent();
  • System.out.printf("Parent is %s\n", classLoader.getClass().getSimpleName());
  • }
  • }

打印结果为:

  • currentClassLoader is AppClassLoader
  • Parent is ExtClassLoader

首先能看到 ExtClassLoader 确实是 AppClassLoader 的双亲,不过却没有看到 BootstrapClassLoader。事实上,上文就提过, BootstrapClassLoader比较特殊,它是由 JVM 内部实现的,所以 ExtClassLoader.getParent() = null

如果把 MusicPlayer 类挪到 $JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录下会发生什么?

上文中说了,ExtClassLoader 会加载$JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录下所有的 jar 文件。那来尝试下直接把 MusicPlayer 这个类放到 $JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录下吧。

利用下面命令可以把 MusicPlayer.java 编译打包成 jar 文件,并放置到对应目录。

  • javac classloader/MusicPlayer.java
  • jar cvf MusicPlayer.jar classloader/MusicPlayer.class
  • mv MusicPlayer.jar $JAVA_HOME/jre/lib/ext/

这时 MusicPlayer.jar 已经被放置与 $JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录下,同时把之前的 MusicPlayer 删除,而且这一次刻意使用 AppClassLoader 来加载:

  • private static void loadClass() throws ClassNotFoundException {
  • ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader(); // AppClassLoader
  • Class<?> clazz = appClassLoader.loadClass("classloader.MusicPlayer");
  • ClassLoader classLoader = clazz.getClassLoader();
  • System.out.printf("ClassLoader is %s", classLoader.getClass().getSimpleName());
  • }

打印结果为:
```

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