JVM 詳解

ClassLoader一個經常出現又讓很多人望而卻步的詞，本文將試圖以最淺顯易懂的方式來講解 ClassLoader，希望能對不瞭解該機制的朋友起到一點點作用。

要深入瞭解ClassLoader，首先就要知道ClassLoader是用來幹什麼的，顧名思義，它就是用來加載Class文件到JVM，以供程序使用的。我們知道，java程序可以動態加載類定義，而這個動態加載的機制就是通過ClassLoader來實現的，所以可想而知ClassLoader的重要性如何。

看到這裏，可能有的朋友會想到一個問題，那就是既然ClassLoader是用來加載類到JVM中的，那麼ClassLoader又是如何被加載呢？難道它不是java的類？

沒有錯，在這裏確實有一個ClassLoader不是用java語言所編寫的，而是JVM實現的一部分，這個ClassLoader就是bootstrap classloader（啓動類加載器），這個ClassLoader在JVM運行的時候加載java核心的API以滿足java程序最基本的需求，其中就包括用戶定義的ClassLoader，這裏所謂的用戶定義是指通過java程序實現的ClassLoader，一個是ExtClassLoader，這個ClassLoader是用來加載java的擴展API的，也就是/lib/ext中的類，一個是AppClassLoader，這個ClassLoader是用來加載用戶機器上CLASSPATH設置目錄中的Class的，通常在沒有指定ClassLoader的情況下，程序員自定義的類就由該ClassLoader進行加載。

當運行一個程序的時候，JVM啓動，運行bootstrap classloader，該ClassLoader加載java核心API（ExtClassLoader和AppClassLoader也在此時被加載），然後調用ExtClassLoader加載擴展API，最後AppClassLoader加載CLASSPATH目錄下定義的Class，這就是一個程序最基本的加載流程。

上面大概講解了一下ClassLoader的作用以及一個最基本的加載流程，接下來將講解一下ClassLoader加載的方式，這裏就不得不講一下ClassLoader在這裏使用了雙親委託模式進行類加載。

每一個自定義ClassLoader都必須繼承ClassLoader這個抽象類，而每個ClassLoader都會有一個parent ClassLoader，我們可以看一下ClassLoader這個抽象類中有一個getParent()方法，這個方法用來返回當前ClassLoader的parent，注意，這個parent不是指的被繼承的類，而是在實例化該ClassLoader時指定的一個ClassLoader，如果這個parent爲null，那麼就默認該ClassLoader的parent是bootstrap classloader，這個parent有什麼用呢？

我們可以考慮這樣一種情況，假設我們自定義了一個ClientDefClassLoader，我們使用這個自定義的ClassLoader加載java.lang.String，那麼這裏String是否會被這個ClassLoader加載呢？事實上java.lang.String這個類並不是被這個ClientDefClassLoader加載，而是由bootstrap classloader進行加載，爲什麼會這樣？實際上這就是雙親委託模式的原因，因爲在任何一個自定義ClassLoader加載一個類之前，它都會先委託它的父親ClassLoader進行加載，只有當父親ClassLoader無法加載成功後，纔會由自己加載，在上面這個例子裏，因爲java.lang.String是屬於java核心API的一個類，所以當使用ClientDefClassLoader加載它的時候，該ClassLoader會先委託它的父親ClassLoader進行加載，上面講過，當ClassLoader的parent爲null時，ClassLoader的parent就是bootstrap classloader，所以在ClassLoader的最頂層就是bootstrap classloader，因此最終委託到bootstrap classloader的時候，bootstrap classloader就會返回String的Class。

我們來看一下ClassLoader中的一段源代碼：

Java代碼  
protectedsynchronized Class loadClass(String name, boolean resolve)  
throws ClassNotFoundException  
   {  
// 首先檢查該name指定的class是否有被加載
Class c = findLoadedClass(name);  
if (c == null) {  
try {  
if (parent != null) {  
//如果parent不爲null，則調用parent的loadClass進行加載
 = parent.loadClass(name, false);  
    } else {  
//parent爲null，則調用BootstrapClassLoader進行加載
        c = findBootstrapClass0(name);  
    }  
    } catch (ClassNotFoundException e) {  
//如果仍然無法加載成功，則調用自身的findClass進行加載            
        c = findClass(name);  
    }  
}  
if (resolve) {  
    resolveClass(c);  
}  
return c;  
   }  

從上面一段代碼中，我們可以看出一個類加載的大概過程與之前我所舉的例子是一樣的，而我們要實現一個自定義類的時候，只需要實現findClass方法即可。

爲什麼要使用這種雙親委託模式呢？

第一個原因就是因爲這樣可以避免重複加載，當父親已經加載了該類的時候，就沒有必要子ClassLoader再加載一次。

第二個原因就是考慮到安全因素，我們試想一下，如果不使用這種委託模式，那我們就可以隨時使用自定義的String來動態替代java核心api中定義類型，這樣會存在非常大的安全隱患，而雙親委託的方式，就可以避免這種情況，因爲String已經在啓動時被加載，所以用戶自定義類是無法加載一個自定義的ClassLoader。

上面對ClassLoader的加載機制進行了大概的介紹，接下來不得不在此講解一下另外一個和ClassLoader相關的類，那就是Class類，每個被ClassLoader加載的class文件，最終都會以Class類的實例被程序員引用，我們可以把Class類當作是普通類的一個模板，JVM根據這個模板生成對應的實例，最終被程序員所使用。

我們看到在Class類中有個靜態方法forName，這個方法和ClassLoader中的loadClass方法的目的一樣，都是用來加載class的，但是兩者在作用上卻有所區別。
Class<?> loadClass(String name)
Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
我們看到上面兩個方法聲明，第二個方法的第二個參數是用於設置加載類的時候是否連接該類，true就連接，否則就不連接。

說到連接，不得不在此做一下解釋，在JVM加載類的時候，需要經過三個步驟，裝載、連接、初始化。裝載就是找到相應的class文件，讀入JVM，初始化就不用說了，最主要就說說連接。

連接分三步，第一步是驗證class是否符合規格，第二步是準備，就是爲類變量分配內存同時設置默認初始值，第三步就是解釋，而這步就是可選的，根據上面loadClass方法的第二個參數來判定是否需要解釋，所謂的解釋根據《深入JVM》這本書的定義就是根據類中的符號引用查找相應的實體，再把符號引用替換成一個直接引用的過程。有點深奧吧，呵呵，在此就不多做解釋了，想具體瞭解就翻翻《深入JVM吧》，呵呵，再這樣一步步解釋下去，那就不知道什麼時候才能解釋得完了。

我們再來看看那個兩個參數的loadClass方法，在JAVA API 文檔中，該方法的定義是protected，那也就是說該方法是被保護的，而用戶真正應該使用的方法是一個參數的那個，一個參數的loadclass方法實際上就是調用了兩個參數的方法，而第二個參數默認爲false，因此在這裏可以看出通過loadClass加載類實際上就是加載的時候並不對該類進行解釋，因此也不會初始化該類。而Class類的forName方法則是相反，使用forName加載的時候就會將Class進行解釋和初始化，forName也有另外一個版本的方法，可以設置是否初始化以及設置ClassLoader，在此就不多講了。

不知道上面對這兩種加載方式的解釋是否足夠清楚，就在此舉個例子吧，例如JDBC DRIVER的加載，我們在加載JDBC驅動的時候都是使用的forName而非是ClassLoader的loadClass方法呢？我們知道，JDBC驅動是通過DriverManager，必須在DriverManager中註冊，如果驅動類沒有被初始化，則不能註冊到DriverManager中，因此必須使用forName而不能用loadClass。

通過ClassLoader我們可以自定義類加載器，定製自己所需要的加載方式，例如從網絡加載，從其他格式的文件加載等等都可以，其實ClassLoader還有很多地方沒有講到，例如ClassLoader內部的一些實現等等，本來希望能夠講得簡單易懂一點，可是結果自己看回頭好像感覺並不怎麼樣，鬱悶，看來自己的文筆還是差太多了，希望能夠給一些有需要的朋友一點幫助吧。

JVM在加載類的時候，都是通過ClassLoader的loadClass()方法來加載class的，loadClass(String name)方法：

使用的是雙親委託模式：

jvm啓動時，會啓動jre/rt.jar裏的類加載器：bootstrap classloader，用來加載java核心api；然後啓動擴展類加載器ExtClassLoader加載擴展類，並加載用戶程序加載器AppClassLoader，並指定ExtClassLoader爲他的父類；

當類被加載時，會先檢查在內存中是否已經被加載，如果是，則不再加載，如果沒有，再由AppClassLoader來加載，先從jar包裏找，沒有再從classpath裏找；

如果自定義loader類，就會存在這命名空間的情況，不同的加載器加載同一個類時，產生的實例其實是不同的；

Java代碼

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
return loadClass(name, false); 
} 
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
return loadClass(name, false); 
}

loadClass(String name)方法再調用loadClass(String name, boolean resolve)方法：

◆ name - 類的二進制名稱

◆ resolve - 如果該參數爲 true，則分析這個類

Java代碼

protectedsynchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) 
throws ClassNotFoundException 
{ 
// First, check if the class has already been loaded
//JVM 規範規定ClassLoader可以在緩存保留它所加載的Class，如果一個Class已經被加載過，則直接從緩存中獲取
Class c = findLoadedClass(name); 
if (c == null) { 
try { 
if (parent != null) { 
c = parent.loadClass(name, false); 
} else { 
c = findBootstrapClass0(name); 
} 
} catch (ClassNotFoundException e) { 
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
c = findClass(name); 
} 
} 
if (resolve) { 
resolveClass(c); 
} 
return c; 
} 
protectedsynchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) 
throws ClassNotFoundException 
{ 
// First, check if the class has already been loaded
//JVM 規範規定ClassLoader可以在緩存保留它所加載的Class，如果一個Class已經被加載過，則直接從緩存中獲取
Class c = findLoadedClass(name); 
if (c == null) { 
try { 
if (parent != null) { 
c = parent.loadClass(name, false); 
} else { 
c = findBootstrapClass0(name); 
} 
} catch (ClassNotFoundException e) { 
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
c = findClass(name); 
} 
} 
if (resolve) { 
resolveClass(c); 
} 
return c; 
}

如果ClassLoader並沒有加載這個class，則調用findBootstrapClass0：

Java代碼

private Class findBootstrapClass0(String name) 
throws ClassNotFoundException 
{ 
check(); 
if (!checkName(name)) 
thrownew ClassNotFoundException(name); 
return findBootstrapClass(name); 
} 
private Class findBootstrapClass0(String name) 
throws ClassNotFoundException 
{ 
check(); 
if (!checkName(name)) 
thrownew ClassNotFoundException(name); 
return findBootstrapClass(name); 
}

該方法會調用check()方法來判斷這個類是否已經初始化，並且通過checkName(name)來判斷由name指定的這個類是否存在最後調用findBootstrapClass(name)：

Java代碼

privatenative Class findBootstrapClass(String name) 
throws ClassNotFoundException; 
privatenative Class findBootstrapClass(String name) 
throws ClassNotFoundException;

而這個findBootstrapClass方法是一個native方法，這是我們的root loader，這個載入方法並非是由JAVA所寫，而是C++寫的，它會最終調用JVM中的原生findBootstrapClass方法來完成類的加載。

如果上面兩個都找不到，則使用findClass(name)來查找指定類名的Class：

Java代碼

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
thrownew ClassNotFoundException(name); 
} 
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
thrownew ClassNotFoundException(name); 
}

JDK5.0中的說明：

使用指定的二進制名稱查找類。此方法應該被類加載器的實現重寫，該實現按照委託模型來加載類。在通過父類加載器檢查所請求的類後，此方法將被 loadClass 方法調用。默認實現拋出一個ClassNotFoundException。

所以，我們在自定義類中，只需要重寫findClass()即可。

MyClassLoader類：

Java代碼

publicclass MyClassLoader extends ClassLoader { 
private String fileName; 
public MyClassLoader(String fileName) { 
this.fileName = fileName; 
} 
protected Class<?> findClass(String className) throws ClassNotFoundException { 
Class clazz = this.findLoadedClass(className); 
if (null == clazz) { 
try { 
String classFile = getClassFile(className); 
FileInputStream fis = new FileInputStream(classFile); 
FileChannel fileC = fis.getChannel(); 
ByteArrayOutputStream baos = new
ByteArrayOutputStream(); 
WritableByteChannel outC = Channels.newChannel(baos); 
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024); 
while (true) { 
int i = fileC.read(buffer); 
if (i == 0 || i == -1) { 
break; 
} 
buffer.flip(); 
outC.write(buffer); 
buffer.clear(); 
} 
fis.close(); 
byte[] bytes = baos.toByteArray(); 
clazz = defineClass(className, bytes, 0, bytes.length); 
} catch (FileNotFoundException e) { 
e.printStackTrace(); 
} catch (IOException e) { 
e.printStackTrace(); 
} 
} 
return clazz; 
} 
privatebyte[] loadClassBytes(String className) throws
ClassNotFoundException { 
try { 
String classFile = getClassFile(className); 
FileInputStream fis = new FileInputStream(classFile); 
FileChannel fileC = fis.getChannel(); 
ByteArrayOutputStream baos = new
ByteArrayOutputStream(); 
WritableByteChannel outC = Channels.newChannel(baos); 
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024); 
while (true) { 
int i = fileC.read(buffer); 
if (i == 0 || i == -1) { 
break; 
} 
buffer.flip(); 
outC.write(buffer); 
buffer.clear(); 
} 
fis.close(); 
return baos.toByteArray(); 
} catch (IOException fnfe) { 
thrownew ClassNotFoundException(className); 
} 
} 
private String getClassFile(String name) { 
StringBuffer sb = new StringBuffer(fileName); 
name = name.replace('.', File.separatorChar) + ".class"; 
sb.append(File.separator + name); 
return sb.toString(); 
} 
} 
publicclass MyClassLoader extends ClassLoader { 
private String fileName; 
public MyClassLoader(String fileName) { 
this.fileName = fileName; 
} 
protected Class<?> findClass(String className) throws ClassNotFoundException { 
Class clazz = this.findLoadedClass(className); 
if (null == clazz) { 
try { 
String classFile = getClassFile(className); 
FileInputStream fis = new FileInputStream(classFile); 
FileChannel fileC = fis.getChannel(); 
ByteArrayOutputStream baos = new
ByteArrayOutputStream(); 
WritableByteChannel outC = Channels.newChannel(baos); 
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024); 
while (true) { 
int i = fileC.read(buffer); 
if (i == 0 || i == -1) { 
break; 
} 
buffer.flip(); 
outC.write(buffer); 
buffer.clear(); 
} 
fis.close(); 
byte[] bytes = baos.toByteArray(); 
clazz = defineClass(className, bytes, 0, bytes.length); 
} catch (FileNotFoundException e) { 
e.printStackTrace(); 
} catch (IOException e) { 
e.printStackTrace(); 
} 
} 
return clazz; 
} 
privatebyte[] loadClassBytes(String className) throws
ClassNotFoundException { 
try { 
String classFile = getClassFile(className); 
FileInputStream fis = new FileInputStream(classFile); 
FileChannel fileC = fis.getChannel(); 
ByteArrayOutputStream baos = new
ByteArrayOutputStream(); 
WritableByteChannel outC = Channels.newChannel(baos); 
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024); 
while (true) { 
int i = fileC.read(buffer); 
if (i == 0 || i == -1) { 
break; 
} 
buffer.flip(); 
outC.write(buffer); 
buffer.clear(); 
} 
fis.close(); 
return baos.toByteArray(); 
} catch (IOException fnfe) { 
thrownew ClassNotFoundException(className); 
} 
} 
private String getClassFile(String name) { 
StringBuffer sb = new StringBuffer(fileName); 
name = name.replace('.', File.separatorChar) + ".class"; 
sb.append(File.separator + name); 
return sb.toString(); 
} 
}

該類中通過調用defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)方法來定義一個類：

Java代碼

protectedfinal Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) 
throws ClassFormatError 
{ 
return defineClass(name, b, off, len, null); 
} 
protectedfinal Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) 
throws ClassFormatError 
{ 
return defineClass(name, b, off, len, null); 
}

注：MyClassLoader加載類時有一個侷限，必需指定.class文件，而不能指定.jar文件。該類中的大部分代碼是從網上搜索到的，是出自一牛人之筆，只是不知道原帖在哪，希望不會被隱藏。

MainClassLoader類：

Java代碼

publicclass MainClassLoader { 
publicstaticvoid main(String[] args) { 
try { 
MyClassLoader tc = new MyClassLoader("F:\\OpenLib\\"); 
Class c = tc.findClass("Test"); 
c.newInstance(); 
} catch (ClassNotFoundException e) { 
e.printStackTrace(); 
} catch (IllegalAccessException e) { 
e.printStackTrace(); 
} catch (InstantiationException e) { 
e.printStackTrace(); 
} 
} 
} 
publicclass MainClassLoader { 
publicstaticvoid main(String[] args) { 
try { 
MyClassLoader tc = new MyClassLoader("F:\\OpenLib\\"); 
Class c = tc.findClass("Test"); 
c.newInstance(); 
} catch (ClassNotFoundException e) { 
e.printStackTrace(); 
} catch (IllegalAccessException e) { 
e.printStackTrace(); 
} catch (InstantiationException e) { 
e.printStackTrace(); 
} 
} 
}

最後是一個簡單的Test測試類：

Java代碼

publicclass Test 
{ 
public Test() { 
System.out.println("Test"); 
} 
publicstaticvoid main(String[] args) { 
System.out.println("Hello World"); 
} 
}

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