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。

• Overview
• API for class loading
  • java.lang.ClassLoader
  • java.security.SecureClassLoader
  • java.net.URLClassLoader
• Tomcat 8.5.15 class loading Mechanism
• Reference

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Overview

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

1. 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 <JAVA_HOME>/jre/lib。特别的 <JAVA_HOME>/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。
2. Extension ClassLoader, 拓展类加载器，用于加载拓展库中的类。拓展库路径为 <JAVA_HOME>/jre/lib/ext/。实现类为 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
3. System ClassLoader, 系统类加载器。用于加载 CLASSPATH 中的类。实现类为 sun.misc.Launcher$AppClassLoader

用户自定义的类加载器

1. 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：

1. 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。
2. 若未加载则委派给双亲，parent.loadClass()，若成功则返回
3. 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

API for class loading

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 class loading Mechanism

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：

  1. $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。
  2. $CATALINA_BASE/bin/tomcat-juli.jar 包含了 Tomcat 日志模块所需要的实现类
  3. $CATALINA_HOME/bin/commons-daemon.jar
  4. 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.
  5. 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。
  6. shared classLoader 用于加载应用程序共享类，这些类服务器不会依赖。
  7. 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：

1. 从 Bootstrap classloader 加载
2. 若没有，从 /WEB-INF/classes 加载
3. 若没有，从 /WEB-INF/lib/*.jar 加载
4. 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：

1. 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"/>
2. 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：

1. 从 Bootstrap classloader 加载
2. 若没有，则依次从 System、Common、shared 加载
3. 若没有，从 /WEB-INF/classes 加载
4. 若没有，从 /WEB-INF/lib/*.jar 加载

Reference

1. The Java Class Loading Mechanism
2. Java Classloader
3. Class Loader HOW-TO - Apache Tomcat 8
4. 《Tomcat 架构解析》
5. 《深入理解 Java 虚拟机》