• A3. JVM 类加载器


    【概述】

      虚拟机设计团队把类加载阶段中的 “通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流” 这个动作放到 Java 虚拟机外部去实现,以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为 “类加载器”。

      类加载器可以说是 Java 语言的一项创新,也是 Java 语言流行的原因之一,它最初是为了满足 Java Applet 的需求而开发出来的。虽然目前 浏览器上的 Java Applet 技术基本上已经 “死掉”,但类加载器却在类层次划分、OSGI、热部署、代码加密等领域大放异彩,成为 Java 技术体系的一块重要的基石。


    【Q】:如何判断两个类是否 “相等”?

    【A】:类加载器虽然只用于实现类的加载动作,但它在 Java 程序中起的作用却远远不限于类的加载阶段。对于任意一个类,都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在 Java 虚拟机中的唯一性,每一个类加载器,都拥有一个独立的类名称空间。也可以说,比较两个类是否 “相等”,只有这两个类时由同一个类加载器加载的前提下才有意义,否则,即使这两个类来源于同一个 Class 文件,被同一个虚拟机加载,只要加载它们的类加载器不同,那这两个类就必定不相等。

      这里所指的“相等”,包括代表类的 Class 对象的 equals() 方法、isAssignableFrom() 方法、isInstance() 方法的返回结果,也包括使用 instanceof 关键字做对象所属关系判定等情况。如果没有注意到类加载器的影响,在某些情况下可能会产生迷惑性的结果,下面的代码展示了不同类加载器对 instanceof 关键字运算的结果的影响。


     【Q】:类加载器的分类?

     【A】:从 Java 虚拟机的角度,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),这个类加载器使用 C++ 语言实现,是虚拟机自身的一部分;另一种就是所有其他的类加载器,这些类加载器都由 Java 语言实现,独立于虚拟机外部,并且全部继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。

      从开发人员的角度来看,类加载器还可以分得更加细致一点,包括以下3种类加载器:

    1). 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME>lib 目录中的,或者被 -Xbootclasspath 参数所指定的路径中的,并且是虚拟机识别的(仅按照文件名识别,如 rt.jar)类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被 Java 程序直接引用,用户在编写自定义加载器时,如果需要把加载请求委派给引导类加载器,那直接使用 null 代替即可。

    2).扩展类加载器(Extension ClassLoader): 这个加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现,它负责加载<JAVA_HOME>libext 目录中的,或者被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径中的所有类库,开发者可以直接使用扩展类加载器。

    3).应用程序类加载器(Application ClassLoader): 这个类加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现。由于这个类加载器是 ClassLoader 中 getSystemClassLoader() 方法的返回值,所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径(Classpath)上所指定的类库,开发者可以直接使用这个类加载器,如果应用程序中没有定义过自己的类加载器,一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。


    【Q】:什么是双亲委派模型?

    【A】:如下图所示的这种层次关系,称为类加载器的双亲委派模型(Parents Delegation Model)。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外,其余的加载器都应当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现,而是都是用组合关系来复用父加载器的代码。

       类加载器的双亲委派模型在 JDK 1.2 期间被引入并被广泛应用于之后几乎所有的 Java 程序中,但它不是一个强制性的约束模型,而是 Java 设计者推荐给开发者的一种类加载实现方式。双亲委派模型的工作过程是:如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把这个请求委派给父类加载器去完成,每一个层次的类加载器都是如此,因此,所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中,只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需的类)时,子加载器才会尝试自己去加载。

      使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系,有一个显而易见的好处就是 Java 类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类 java.lang.Object,它存放在 rt.jar 中,无论哪一个类加载器要加载这个类,最终都是委派给处于模型最顶层的启动类加载器进行加载,因此 Object 类在程序的各种类加载器中都是同一个类。相反,如果没有使用双亲委派模型,由各个类加载器自行去加载的话,如果用户自己编写了一个称为 java.lang.Object 的类,并放在程序的 Classpath 中,那系统中将会出现多个不同的 Object 类,Java 类型体系中最基础的行为也就无法保证,应用程序也会变得一片混乱。在双亲委托模型下,如果用户自己编写了一个与 rt.jar 类库中已有类重名的类,这个类可以正常编译,但无法被加载运行。

      双亲委派模型对于保证 Java 程序的稳定运作很重要,实现代码主要集中于 java.lang.ClassLoader 的 loadClass 方法中,代码如下:

        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;
            }
        }
    

      大概逻辑:

      1). 通过类名查询该类是否已经被加载过了,如果没有被加载过,则判断该类加载器的父加载器是否存在,存在则调用父加载器的 loadClass 方法,一层层往上传,最后传送到顶层的启动类加载器,如果父加载器无法在其类搜索路径(classPath)找到该类,则触发 ClassNotFoundException 异常,c 的值为 null,然后子类加载器就会尝试自己去加载该类。这里是双亲委派模型的主要实现逻辑,采用的是递归的思想,时间复杂度为 O(N), N 为初始加载器的深度。

      2).方法中的第二个参数则对应类加载完成后,是否进行解析操作。

      3).一个类的类加载过程完成后,JVM 会将该类的类信息保存到 Class 对象中,存放的内存区域为方法区,故这里看到 loadClass 方法的返回值为 Class 类型。

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