JVM：类加载器

一、什么是类加载器

类加载器（ClassLoader）是Java虚拟机提供给应用程序去实现获取类和接口字节码数据的技术。类加载器只参与加载过程总的字节码获取并加载到内存这一部分。

二、类加载器的应用场景

三、类加载器的分类

1、分类

• 类加载器分为两类，一类是Java代码中实现的，一类是Java虚拟机底层源码实现的。
  
• 类加载器的设计JDK8和8之后的版本差别较大，JDK8及之前的版本默认的类加载器有如下几种：
  
• 类加载器的详细信息可以通过Arthas classloader命令查看：classloader - 查看classloader的继承树，urls，类加载信息，使用classloader去getResource。
  

2、启动类加载器

• 启动类加载器（Boostrap ClassLoader）是由HotSpot虚拟机提供的、使用C ++编写的类加载器。
• 默认加载Java安装目录/jre/lib下的类文件，比如rt.jar，tool.jar，resource.jar等。
  
  通过启动类加载器去加载用户jar包：
• 放入jre/lib下进行扩展：不推荐，尽可能不要去更改JDK安装目录中的内容，会出现即使放进去由于文件名不匹配的问题也不会正常被加载。
• 使用参数进行扩展：推荐，使用-Xbootclasspath/a:jar包目录/jar包名，进行扩展。

3、Java中的默认类加载器

• 扩展类加载器和应用程序类加载器都是JDK中提供的、使用Java编写的类加载器。
• 他们的源码都位于sun.misc.Launcher中，是一个静态内部类。继承自URLClassLoader。具备通过目录或者指定jar包将字节码文件加载到内存中。
  

（1）扩展类加载器

• 扩展类加载器（Extension Class Loader）是JDK中提供的、使用Java编写的类加载器。
• 默认加载Java安装目录/jre/lib/ext下的类文件。
  

通过扩展类加载器去加载用户jar包：

• 放入/jre/lib/ext下进行扩展：不推荐，尽可能不要去更改JDK安装目录中的内容。
• 使用参数进行扩展：推荐，使用**-Djava.ext.dirs=jar包目录**，进行扩展，这种方式会覆盖原始目录，可以用;(windows)、:(macos/linux)追加原始目录。

（2）应用程序类加载器

加载classpath下的类文件。

（3）arthas中类加载器相关的功能

类加载器的加载路径可以通过classloader -c hash值查看：

四、双亲委派机制

1、介绍

由于Java虚拟机中有多个类加载器，双亲委派机制的核心是解决一个类到底由谁加载的问题。双亲委派机制指的是：当一个类加载器收到加载类的任务时，会自底向上查找是否加载过，再由顶向下进行加载。向上查找如果已经加载过，就直接返回Class对象，加载过程结束。这样就能避免一个类重复加载。如果所有的父类加载器都无法加载该类，则由当前类加载器自己尝试加载。所以看上去是指顶向下尝试加载。

2、双亲委派的作用

（1）保证类加载的安全性

通过双亲委派机制避免恶意代码替换JDK中的核心类库，比如java.lang.String，确保核心类库的完整性和安全性。

（2）避免重复加载

双亲委派机制可以避免同一个类被多次加载。

3、Java中如何使用代码方式去主动加载一个类

• 使用Class.forName方法，使用当前类的类加载器去加载指定的类。

    public static Class forName(String className)
                throws ClassNotFoundException {
        Class caller = Reflection.getCallerClass();
        return forName0(className, true, ClassLoader.getClassLoader(caller), caller);
    }
    
    private static native Class forName0(String name, boolean initialize,
                                            ClassLoader loader,
                                            Class caller)
        throws ClassNotFoundException;

• 获取到类加载器，通过类加载器的loadClass方法指定某个类加载器加载。

4、类加载器

（1）介绍

每个Java实现的类加载器中保存了一个成员变量叫“父”类加载器，可以理解为他的上级，不是继承关系。

• 应用程序类加载器的parent父类加载器时扩展类加载器，而扩展类加载器parent是空，但是在逻辑上，扩展类加载器依然会把启动类加载器当成父类加载器处理。
• 启动类加载器使用C++编写，没有父类加载器。
  
  下面体现了启动类加载器、扩展类加载器和应用程序类加载器的层级关系。
  

（2）arthas中类加载器相关的功能

类加载器的父子关系可以通过classloader -t查看

五、打破双亲委派机制

1、打破双亲委派机制的三种方式

（1）自定义类加载器

• 自定义类加载器并且重写loadClass方法，就可以将双亲委派机制的代码去除。
• Tomcat通过这种方式实现应用之间的类隔离。
  • Tomact使用了自定义类加载器来实现应用之间类的隔离。每个应用会有一个独立的类加载器加载对应的类。
    
• 先来分析ClassLoader的原理，ClassLoader中包含了4个核心方法。
• 双亲委派机制的核心代码位于loadClass方法中。
  
• 阅读双亲委派机制的核心代码，分析如何通过自定义的类加载器打破双亲委派机制。
• 打破双亲委派机制就是将下边的一段代码重新实现。
  

自定义类加载器默认的父类加载器：

• 以JDK8为例，ClassLoader类中提供了构造方法设置parent的内容。
  

• 这个构造方法由另外一个构造方法调用，其中父类加载器由getSystemClassLoader方法设置，该方法返回的是AppClassLoader。
  

两个自定义类加载器加载相同限定名类不会冲突：

• 在同一个Java虚拟机中，只有相同了加载器+相同的类限定名才会被认为是同一个类。
• 在Arthas中使用sc -d 类名的方式查看具体的情况。

（2）线程上下文类加载器

利用上下文类加载器加载类，比如JDBC和JNDI。

（3）Osgi框架的类加载器

历史上Osgi框架实现了一套新的类加载机制，允许同级之间委托进行类的加载。

六、JDK9之后的类加载器

• 由于JDK9引入了module的概念，类加载器在设计上发生了很多的变化。
  
  • 启动类加载器使用Java编写，位于jdk.internal.loader.ClassLoaders类中。java中的BootClassLoader继承自BuiltinClassLoader实现从某块中找到要加载的字节码资源文件。启动类加载器依然无法通过java代码获取到，返回的仍然是null，保持了统一。
    
• 扩展类加载器被替换成了平台类加载器（Platform Class Loader）。平台类加载器遵循模块化方式加载字节码文件，所以继承关系从URLClassLoader变成了BuiltinClasLoader，BuiltinClasLoader实现了从模块中加载字节码文件。平台类加载器的存在更多的是为了与老版本的设计方案兼容，自身没有特殊的逻辑。