Java ClassLoader 实现原理和加载机制

JAVA herman 1966浏览 0评论
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Java中的所有类,必须被装载到jvm中才能运行,这个装载工作是由jvm中的类装载器完成的,类装载器所做的工作实质是把类文件从硬盘读取到内存中,JVM在加载类的时候,都是通过ClassLoader的loadClass()方法来加载class的,loadClass使用双亲委派模式。

      每个ClassLoader对象都是一个java.lang.ClassLoader的实例。每个Class对象都被这些ClassLoader对象所加载,通过继承java.lang.ClassLoader可以扩展出自定义ClassLoader,并使用这些自定义的ClassLoader对类进行加载。

原理机制

类装载器ClassLoader(一个抽象类)描述一下JVM加载class文件的原理机制

1、装载:查找和导入Class文件

2、链接:其中解析步骤是可以选择的 (a)检查:检查载入的class文件数据的正确性 (b)准备:给类的静态变量分配存储空间 (c)解析:将符号引用转成直接引用

3、初始化:对静态变量,静态代码块执行初始化工作

  • 根装载器,ExtClassLoader(扩展类装载器)和AppClassLoader,其中根装载器不是ClassLoader的子类,由C++编写,因此在java中看不到他,负责装载JRE的核心类库,如JRE目录下的rt.jar,charsets.jar等。

  • ExtClassLoader是ClassLoder的子类,负责装载JRE扩展目录ext下的jar类包;

  • AppClassLoader负责装载classpath路径下的类包,这三个类装载器存在父子层级关系****,即根装载器是ExtClassLoader的父装载器,ExtClassLoader是AppClassLoader的父装载器。默认情况下使用AppClassLoader装载应用程序的类

Java装载类使用“全盘负责委托机制”。“全盘负责”是指当一个ClassLoder装载一个类时,除非显示的使用另外一个ClassLoder,该类所依赖及引用的类也由这个ClassLoder载入;“委托机制”是指先委托父类装载器寻找目标类,只有在找不到的情况下才从自己的类路径中查找并装载目标类。

ClassLoader源码分析

public abstract class ClassLoader

class loader是一个负责加载classes的对象,ClassLoader类是一个抽象类,需要给出类的二进制名称,class loader尝试定位或者产生一个class的数据,一个典型的策略是把二进制名字转换成文件名然后到文件系统中找到该文件。

loadClass方法的实现方式:

protected Class> loadClass(String name, boolean resolve)
	throws ClassNotFoundException{
	synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
		// First, check if the class has already been loaded
		Class c = findLoadedClass(name);
		if (c == null) {
			long t0 = System.nanoTime();
			try {
				if (parent != null) {
					c = parent.loadClass(name, false);
				} else {
					c = findBootstrapClassOrNull(name);
				}
			} catch (ClassNotFoundException e) {
				// ClassNotFoundException thrown if class not found
				// from the non-null parent class loader
			}
			if (c == null) {
				// If still not found, then invoke findClass in order
				// to find the class.
				long t1 = System.nanoTime();
				c = findClass(name);

				// this is the defining class loader; record the stats
				sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
				sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
				sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
			}
		}
		if (resolve) {
			resolveClass(c);
		}
		return c;
	}
}

使用指定的二进制名称来加载类,这个方法的默认实现按照以下顺序查找类: 调用findLoadedClass(String)方法检查这个类是否被加载过 使用父加载器调用loadClass(String)方法,如果父加载器为Null,类加载器装载虚拟机内置的加载器调用findClass(String)方法装载类, 如果,按照以上的步骤成功的找到对应的类,并且该方法接收的resolve参数的值为true,那么就调用resolveClass(Class)方法来处理类。 ClassLoader的子类最好覆盖findClass(String)而不是这个方法。 除非被重写,这个方法默认在整个装载过程中都是同步的(线程安全的)。

protected Object getClassLoadingLock(String className) {
	Object lock = this;
	if (parallelLockMap != null) {
		Object newLock = new Object();
		lock = parallelLockMap.putIfAbsent(className, newLock);
		if (lock == null) {
			lock = newLock;
		}
	}
	return lock;
}
private final ConcurrentHashMap parallelLockMap;
//这个变量的初始化工作在ClassLoader的构造函数中
private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
	this.parent = parent;
	if (ParallelLoaders.isRegistered(this.getClass())) {
		parallelLockMap = new ConcurrentHashMap();
		package2certs = new ConcurrentHashMap();
		domains =
			Collections.synchronizedSet(new HashSet());
		assertionLock = new Object();
	} else {
		// no finer-grained lock; lock on the classloader instance
		parallelLockMap = null;
		package2certs = new Hashtable();
		domains = new HashSet();
		assertionLock = this;
	}
}

在ClassLoader类中有一个静态内部类ParallelLoaders,他会指定的类的并行能力,如果当前的加载器被定位为具有并行能力,那么他就给parallelLockMap定义,就是new一个 ConcurrentHashMap(),那么这个时候,我们知道如果当前的加载器是具有并行能力的,那么parallelLockMap就不是Null,这个时候,我们判断parallelLockMap是不是Null,如果他是null,说明该加载器没有注册并行能力,那么我们没有必要给他一个加锁的对象,getClassLoadingLock方法直接返回this,就是当前的加载器的一个实例。如果这个parallelLockMap不是null,那就说明该加载器是有并行能力的,那么就可能有并行情况,那就需要返回一个锁对象。然后就是创建一个新的Object对象,调用parallelLockMap的putIfAbsent(className, newLock)方法,这个方法的作用是:首先根据传进来的className,检查该名字是否已经关联了一个value值,如果已经关联过value值,那么直接把他关联的值返回,如果没有关联过值的话,那就把我们传进来的Object对象作为value值,className作为Key值组成一个map返回。然后无论putIfAbsent方法的返回值是什么,都把它赋值给我们刚刚生成的那个Object对象。 这个时候,我们来简单说明一下getClassLoadingLock(String className)的作用,就是: 为类的加载操作返回一个锁对象。为了向后兼容,这个方法这样实现:如果当前的classloader对象注册了并行能力,方法返回一个与指定的名字className相关联的特定对象,否则,直接返回当前的ClassLoader对象。
resolveClass()解析作用:
链接指定的类。这个方法给Classloader用来链接一个类,如果这个类已经被链接过了,那么这个方法只做一个简单的返回。否则,这个类将被按照 Java 规范中的Execution描述进行链接

总结

java中的类大致分为三种

1.系统类 2.扩展类 3.由程序员自定义的类

类装载方式,有两种:

1.隐式装载, 程序在运行过程中当碰到通过new 等方式生成对象时,隐式调用类装载器加载对应的类到jvm中。

2.显式装载, 通过class.forname()等方法,显式加载需要的类

类加载的动态性体现

一个应用程序总是由n多个类组成,Java程序启动时,并不是一次把所有的类全部加载后再运行,它总是先把保证程序运行的基础类一次性加载到jvm中,其它类等到jvm用到的时候再加载,这样的好处是节省了内存的开销,因为java最早就是为嵌入式系统而设计的,内存宝贵,这是一种可以理解的机制,而用到时再加载这也是java动态性的一种体现

java类装载器

Java中的类装载器实质上也是类,功能是把类载入jvm中,值得注意的是jvm的类装载器并不是一个,而是三个,层次结构如下:

Bootstrap Loader – 负责加载系统类

ExtClassLoader – 负责加载扩展类

AppClassLoader – 负责加载应用类

为什么要有三个类加载器,一方面是分工,各自负责各自的区块,另一方面为了实现委托模型,下面会谈到该模型

类加载器之间是如何协调工作的

在这里java采用了委托模型机制,这个机制简单来讲,就是“类装载器有载入类的需求时,会先请示其Parent使用其搜索路径帮忙载入,如果Parent 找不到,那么才由自己依照自己的搜索路径搜索类”

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