类加载器可以加载类,这些类被HotSpot加载后,都以Klass对象表示。涉及到的主要的类加载器有启动类加载器/引导类加载器(Bootstrap ClassLoader)、扩展类加载器(Extension ClassLoader)和应用类加载器/系统类加载器(Application ClassLoader)。
1、引导类加载器/启动类加载器
引导类加载器由ClassLoader类实现,这个ClassLoader类是用C++语言来实现的,它负责将 <JAVA_HOME>/lib目录、 -Xbootclasspath选项指定的目录或系统属性sun.boot.class.path指定的目录下的核心类库加载到内存中。
用C++语言定义的类加载器及重要的函数如下:
class ClassLoader::AllStatic { private: ... // 加载类 static instanceKlassHandle load_classfile(Symbol* h_name,TRAPS); // 设置加载路径 static void setup_bootstrap_search_path(); public: // 初始化类加载器 static void initialize(); ... }
load_classfile()方法可以根据类名加载类,具体实现如下:
源代码位置:openjdk/hotspot/src/share/vm/classfile/classLoader.cpp instanceKlassHandle ClassLoader::load_classfile(Symbol* h_name, TRAPS) { // 获取类名 const char* class_name = h_name->as_C_string(); .... stringStream st; st.print_raw(h_name->as_utf8()); st.print_raw(".class"); // 获取文件名 const char* file_name = st.as_string(); ClassLoaderExt::Context context(class_name, file_name, THREAD); // ClassFileStream表示Class文件的字节流 ClassFileStream* stream = NULL; int classpath_index = 0; ClassPathEntry* e = NULL; instanceKlassHandle h; { //从第一个ClassPathEntry开始遍历所有的ClassPathEntry e = _first_entry; while (e != NULL) { stream = e->open_stream(file_name, CHECK_NULL); // 如果检查返回false则返回null,check方法默认返回true if (!context.check(stream, classpath_index)) { return h; // NULL } // 如果找到目标文件则跳出循环 if (stream != NULL) { break; } e = e->next(); ++classpath_index; } } //如果找到了目标class文件 if (stream != NULL) { // 构建一个ClassFileParser实例 ClassFileParser parser(stream); // 构建一个ClassLoaderData实例 ClassLoaderData* loader_data = ClassLoaderData::the_null_class_loader_data(); Handle protection_domain; TempNewSymbol parsed_name = NULL; // 解析并加载class文件,注意此时并未开始链接 instanceKlassHandle result = parser.parseClassFile(h_name, loader_data, protection_domain, parsed_name, context.should_verify(classpath_index), THREAD); ... // 调用ClassLoader的add_package方法,把当前类的包名加入到_package_hash_table中 h = context.record_result(classpath_index, e, result, THREAD); } ... return h; }
parseClassFile()方法就是解析Class文件中的类、字段、常量池等信息,然后转换为C++内部的对等表示,如类元信息存储在InstanceKlass实例中,常量池信息存储在ConstantPool中,部分的C++对等实现(类模型)在之前已经介绍过,这里不再介绍。后续会详细介绍parseClassFile()方法解析Class文件的过程。
2、扩展类加载器
扩展类加载器由ExtClassLoader(sun.misc.Launcher$ExtClassLoader)实现,负责将 <JAVA_HOME >/lib/ext目录或者由系统变量-Djava.ext.dir所指定的目录中的类库加载到内存中。
用Java语言编写的扩展类加载器的实现如下:
源代码位置: static class ExtClassLoader extends URLClassLoader { /** * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created * within a context that limits which files it can read */ public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException { final File[] dirs = getExtDirs(); // 获取要加载类的加载路径 ... return new ExtClassLoader(dirs); // 实例化扩展类加载器 ... } /* * Creates a new ExtClassLoader for the specified directories. */ public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException { super(getExtURLs(dirs), null, factory); // parent传递的参数为null,所以并不是引导类加载器 } private static File[] getExtDirs() { String s = System.getProperty("java.ext.dirs"); File[] dirs; if (s != null) { StringTokenizer st = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator); int count = st.countTokens(); dirs = new File[count]; for (int i = 0; i < count; i++) { dirs[i] = new File(st.nextToken()); } } else { dirs = new File[0]; } return dirs; } ... }
ExtClassLoader类的构造函数中在调用父类的构造函数时,传递的第2个参数的值为null,这个值最终会赋值给parent字段,所以后面将会讲到,当这个字段的值为null时,ClassLoader类中实现的loadClass()方法会调用findBootstrapClassOrNull()方法加载类,最终会调用C++实现的ClassLoader类的相关方法。
3、系统类加载器/应用类加载器
系统类加载器由AppClassLoader(sun.misc.Launcher$AppClassLoader)实现,负责将由系统环境变量-classpath、-cp或系统属性java.class.path指定的路径下的类库加载到内存中。
用Java语言编写的扩展类加载器的实现如下:
源代码位置: static class AppClassLoader extends URLClassLoader { public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader extcl)throws IOException { final String s = System.getProperty("java.class.path"); final File[] path = (s == null) ? new File[0] : getClassPath(s); ... return new AppClassLoader(urls, extcl); } /* * Creates a new AppClassLoader */ AppClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent) { super(urls, parent, factory); // parent参数是一个扩展类加载器实例 } /** * Override loadClass so we can checkPackageAccess. */ public Class loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException{ ... return (super.loadClass(name, resolve)); } ... }
在Launcher类的构造函数中实例化系统类加载器时,会调用getAppClassLoader()方法获取系统类加载器,传入的参数是一个扩展类加载器实例,这样系统类加载器的父加载器就变成了扩展类加载器。用户自定义的无参加载器的父类加载器默认就是AppClassloader加载器。
4、构造类加载器实例
HotSpot在启动过程中会在rt.jar包里面的sun.misc.Launcher类中完成扩展类加载器和系统类加载器的实例化,也会进行引导类加载器的初始化,也就是调用C++语言编写的ClassLoader类的initialize()方法。
HotSpot在初始化时,会初始化一个重要的变量,定义如下:
源代码位置:hotspot/src/share/vm/classfile/systemDictionary.cpp
oop SystemDictionary::_java_system_loader = NULL;
这个属性保存系统类加载器实例,HotSpot在加载主类时会使用这个类加载器加载主类。属性在compute_java_system_loader()方法中初始化,调用链路如下:
JavaMain() java.c InitializeJVM() java.c JNI_CreateJavaVM() jni.cpp Threads::create_vm() thread.cpp SystemDictionary::compute_java_system_loader() systemDictionary.cpp
方法的实现如下:
void SystemDictionary::compute_java_system_loader(TRAPS) { KlassHandle system_klass(THREAD, WK_KLASS(ClassLoader_klass)); JavaValue result(T_OBJECT);
// 调用java.lang.ClassLoader类的getSystemClassLoader()方法 JavaCalls::call_static(&result, // 调用Java静态方法的返回值存储在result中 KlassHandle(THREAD, WK_KLASS(ClassLoader_klass)), // 调用的目标类为java.lang.ClassLoader vmSymbols::getSystemClassLoader_name(), // 调用目标类中的目标方法为getSystemClassLoader vmSymbols::void_classloader_signature(), // 调用目标方法的方法签名 CHECK); // 获取调用getSystemClassLoader()方法的结果并保存到_java_system_loader属性中 _java_system_loader = (oop)result.get_jobject(); // 初始化属性为系统类加载器/应用类加载器/AppClassLoader }
通过JavaClass::call_static()方法调用java.lang.ClassLoader类的getSystemClassLoader()方法。JavaClass::call_static()方法非常重要,它是HotSpot调用Java静态方法的API,后面传经详细介绍。
下面看一下getSystemClassLoader()方法的实现,如下:
public static ClassLoader getSystemClassLoader() { initSystemClassLoader(); if (scl == null) { return null; } return scl; } private static synchronized void initSystemClassLoader() { if (!sclSet) { sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher(); // 获取Launcher实例 if (l != null) { scl = l.getClassLoader(); // ... } sclSet = true; } }
调用Launcerh.getLauncher()方法获取Launcher实例,实例通过静态变量launcher来保存,静态变量的定义如下:
private static Launcher launcher = new Launcher();
调用l.getClassLoader()方法获取类加载器实例,如下:
public ClassLoader getClassLoader() { return loader; // 返回的loader就是Launcher类的loader,也就是系统类加载器AppClassLoader }
Launcher()类的构造函数如下:
public Launcher() { // Create the extension class loader ClassLoader extcl; try { // 首先创建了扩展类加载器 extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader(); } catch (IOException e) { throw new InternalError("Could not create extension class loader", e); } // Now create the class loader to use to launch the application try { // 以ExtClassloader作为父加载器创建了AppClassLoader loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl); } catch (IOException e) { throw new InternalError("Could not create application class loader", e); } // Also set the context class loader for the primordial thread. // 默认线程上下文加载器为AppClassloader Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader); }
可以看到有对ExtClassLoader与AppClassLoader实例创建的逻辑,这样HotSpot就可以通过_java_system_loader属性获取AppClassLoader实例,通过AppClassLoader实例中的parent属性使用ExtClassLoader。
相关文章的链接如下:
1、在Ubuntu 16.04上编译OpenJDK8的源代码
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