Java類加載器(死磕 1-2)

Java類加載器( CLassLoader ) 死磕 1、2:

導入 & 類加載器分類

本小節目錄

1.導入
1.1. 從class文件的載入開始
1.2. 什麼是類加載器
2. JAVA類加載器分類
2.1. 操作系統的環境變量
2.2. Bootstrap ClassLoader（啓動類加載器）
2.3. Extention ClassLoader （擴展類加載器）
2.4 Appclass Loader（應用類加載器）
2.5. 加載器啓動次序
2.6. 閱讀源碼，查看加載器啓動順序
2.7. 本節小結

1.導入

1.1.從class文件的載入開始

我們都知道在Java中程序是運行在虛擬機中，我們平常用文本編輯器或者是IDE編寫的程序都是.java格式的文件，這是最基礎的源碼，但這類文件是不能直接運行的。如我們編寫一個簡單的程序HelloWorld.java，Java虛擬機並不能直接識別我們平常編寫的.java源文件，所以需要javac這個命令轉換成.class文件，class文件是字節碼格式文件。
關鍵性的一步來了，.class如果加入JVM中呢？
這就需要用到Java的類加載器。

1.2.什麼是類加載器

ClassLoader翻譯過來就是類加載器，普通的java開發者其實用到的不多，但對於某些框架開發者來說卻非常常見。理解ClassLoader的加載機制，也有利於我們編寫出更高效的代碼。ClassLoader的具體作用就是將class文件加載到jvm虛擬機中去，程序就可以正確運行了。但是，jvm啓動的時候，並不會一次性加載所有的class文件，而是根據需要去動態加載。想想也是的，一次性加載那麼多jar包那麼多class，那內存不崩潰。本文的目的也是學習ClassLoader這種加載機制。

2.JAVA類加載器分類

講解類加載器，首先回顧一下系統的環境變量。

2.1.操作系統的環境變量

操作系統中，與java相關的重要的系統環境變量，你知道有哪些嗎？
初學java的時候，最害怕是配置環境變量了，關鍵是不理解，只能戰戰兢兢地照着書籍上或者是網絡上的介紹進行操作。太不照顧新手了，很多菜鳥就是因爲卡在環境變量的配置上，遭受了太多的挫敗感。

java相關的環境變量的配置，主要有3個：
JAVA_HOME、PATH、CLASSPATH
具體的配置方式，與操作系統相關。在Windows下編程時，可以通過系統屬性的環境變量界面，配置以上的三個環境變量。
下面介紹一下三個環境變量的含義。

一：JAVA_HOME

指的是你JDK安裝的位置，一般默認安裝在C盤，如：

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131

二：PATH

PATH變量，是系統之前就已經一直存在和一直使用的。是系統指令和命令的搜索路徑。設置PATH變量的方法是：
PATH=%JAVA_HOME%\bin;%JAVA_HOME%\jre\bin;%PATH%;

在原來的PATH路徑上添加JDK目錄下的bin目錄和jre目錄的bin。將Java的bin 路徑包含在PATH當中後，在命令行窗口就可以直接鍵入Java命令的名字了，而不再需要鍵入它的全路徑。比如編譯java源文件的javac命令，和執行字節碼的java命令。

如果沒有將Java的bin路徑加入到path中，執行javac命令的方法如下：

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_91\bin\javac  test.java

設置了設置PATH變量之後，執行javac命令的方法如下：

javac  test.java

三：CLASSPATH

CLASSPATH是指向jar包路徑和class類路徑。
一個配置的例子如下：

CLASSPATH=.;%JAVA_HOME%\lib;%JAVA_HOME%\lib\tools.jar

需要注意的是前面的. 點號，代表可以在當前目錄搜索java 類文件。

以上的三個Java 系統的環境變量，都與Java的類加載器密切相關。Java語言系統自帶有三個類加載器，具體如下圖:

2.2.Bootstrap ClassLoader（啓動類加載器）

Bootstrap ClassLoader是最頂層加載器，主要加載核心類庫，%java.home%\lib下的rt.jar、charsets.jar和class等。

注意，這裏的 %java.home% 不是JAVA_HOME環境變量，但是與JAVA_HOME環境變量的值相關。有很多文章介紹到這裏的時候，將 %java.home% 與JAVA_HOME搞混淆了。
專門澄清一下：

%java.home% 指的是JAVA語言運行時的系統屬性java.home；JAVA_HOME環境變量，指的是JDK在操作系統中的路徑。

通過下面的語句可以獲得%java.home% 其值：

    private static void showjavahome()
  {
      String javahome = System.getProperty("java.home");
      Logger.info("javahome = " + javahome);
    }

返回的結果是：

javahome = C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre

對比一下，而前一個小節，我們設置的JAVA_HOME環境變量的值爲：

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131

所以，兩者是不一樣的。Bootstrap ClassLoader（啓動類加載器）加載的類列表清單，保存在系統屬性%sun.boot.class.path% 中，通過獲取系統屬性的值，可以查看。
代碼如下：

private static void showbootpath()
{
 String path = System.getProperty("sun.boot.class.path");
  Logger.info("sun.boot.class.path = " + path);
}

結果如下：

sun.boot.class.path =  C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\resources.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\sunrsasign.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\jsse.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\jce.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\charsets.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\jfr.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\classes

通過結果可以看出，系統屬性%sun.boot.class.path%中的jar包和類路徑，都處於系統屬性%java.home% 下。

另外需要注意的是：可以通過啓動jvm時指定一個參數選項，來改變Bootstrap ClassLoader的加載目錄。這個參數選項爲 -Xbootclasspath。
例如:

被指定的文件追加到默認的bootstrap路徑中。

Bootstrap ClassLoader是由C/C++編寫的，它本身是虛擬機的一部分，所以它並不是一個JAVA類，也就是無法在java代碼中獲取它的引用，JVM啓動時通過Bootstrap類加載器加載rt.jar等核心jar包中的class文件，比如int.class，String.class都是由它加載。

2.3.Extention ClassLoader （擴展類加載器）

Extention ClassLoader （擴展的類加載器），加載系統屬性%java.ext.dirs%目錄下的jar包和class文件。

Extention ClassLoader （擴展的類加載器）加載的類列表清單，保存在系統屬性%java.ext.dirs% 中，通過獲取該系統屬性的值，可以查看。
代碼如下：

  private static void showextpath()
     {
   String path = System.getProperty("java.ext.dirs");
  Logger.info("java.ext.dirs = " + path);
}

返回的結果如下：

java.ext.dirs =
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext;
C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext

另外需要注意的是：還可以加載-D java.ext.dirs選項指定的目錄。

2.4. Appclass Loader（應用類加載器）

與前面兩個不同，Appclass Loader 是應用程序的類加載器。Bootstrap ClassLoader 和 Extention ClassLoader，主要是用於虛擬機的系統類加載。

Appclass Loader（應用類加載器）的作用，加載當前應用類路徑classpath的所有類。

應用類加載器，也稱爲SystemAppClass （系統應用類加載器）。

Appclass Loader（應用類加載器）加載的類列表清單，保存在系統屬性%java.class.path % 中，通過獲取該系統屬性的值，可以查看。
代碼如下：

 private static void showclasspath()     {
   String path = System.getProperty("java.class.path");
    Logger.info("java.class.path = " + path);
  }

返回的結果如下：

回顧一下前面設置的操作系統下的環境變量CLASSPATH，如下：

CLASSPATH=.;%JAVA_HOME%\lib;%JAVA_HOME%\lib\tools.jar

對比之後，發現有點不對。上面輸出的系統屬性%java.class.path%的值，與配置的CLASSPATH值不一致，原因是什麼呢？
因爲我們這裏使用了開發工具IntelliJ IDEA，在工程中重新配置了依賴包，相當於將系統屬性%java.class.path%的值，重新配置了一下。
具體如下圖：

2.5.加載器啓動次序

前面介紹了的3個類加載器，通過啓動JVM啓動Java程序的時候，怎樣知道具體哪個先行啓動呢？

這裏，可以先揭曉答案：

1.  Bootstrap CLassLoader  


2.  Extention ClassLoader  


3.  AppClassLoader

再囉嗦一句：BootstrapClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader通過查閱相應的系統屬性sun.boot.class.path、java.ext.dirs和java.class.path來加載資源文件的。

2.6.閱讀源碼，查看加載器啓動順序

三大加載器的啓動順序，可以通過閱讀源碼來查看。

JVM在啓動是，會執行sun.misc.Launcher 類。在該類中，創建一個Extention ClassLoader 擴展類加載器，和一個應用類加載器AppClassLoader。
源碼如下：

public class Launcher {
    private static Launcher launcher = new Launcher();
    private static String bootClassPath =
        System.getProperty("sun.boot.class.path");

    private ClassLoader loader;

    public Launcher() {
        // 創建Extention ClassLoader 擴展類加載器
        ClassLoader extcl;
        try {
            extcl = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create extension class loader"， e);
        }

        // 創建應用類加載器AppClassLoader
        try {
            loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create application class loader"， e);
        }

   .....
}
}

在上面的代碼中，看到了擴展類加載器和應用類加載器的啓動，沒有看到Bootstrap Loader的啓動。
爲什麼呢？
從啓動次序來說，Bootstrap Loader作爲jvm核心的核心，加載位於%java.home% 清單中的JVM 的絕對核心和基礎的類，毫無疑問，絕對是首先啓動的。由於它是基礎加載器，大多數版本jvm的bootstrap loader都不是java實現，或者不是純java的實現。理論上，Bootstrap ClassLoader 不應該叫他是一個java類。因爲，它已經完全不用java實現了。Bootstrap ClassLoader是在jvm啓動時，就被構造起來的，負責java平臺核心庫。

所以，在sun.misc.Launcher 類中，看不到Bootstrap Loader的啓動。

完整的三大加載器的啓動順序如下：
1、開始執行java命令後，首先尋找jre目錄，尋找jvm.dll，並初始化JVM；
2、產生一個Bootstrap Loader（啓動類加載器）；
3、創建Extended Loader（標準擴展類加載器）；
4、創建AppClass Loader（系統類加載器），並將其父加載器（parent loader）設爲Extended Loader。

這裏講到了父加載器，這是一種加載器之間的重要的關係——加載器之間的層次關係。

JVM初始化sun.misc.Launcher並創建Extension ClassLoader和AppClassLoader實例。並將ExtClassLoader設置爲AppClassLoader的父加載器。

Bootstrap沒有父加載器，而且它是祖宗，它是作爲所有父加載器爲空的加載器的父加載器。

呵呵，捋一捋，這句話是不是很繞。

後文中，將對這種層次關係，展開進行詳細解讀。

2.7.本節小結

上面簡單介紹了3個ClassLoader。說明了它們加載的路徑。

並且還提到了-Xbootclasspath和-D java.ext.dirs這兩個虛擬機參數選項。

上面也介紹了三大加載器之間的啓動順序。爲後面介紹加載器之間的層次關係，打下了一個鋪墊。

本節的代碼的類爲：SysPropertiesShow.java，

所在的路徑爲：com.crazymakercircle.classLoaderDemo.base

源碼：

代碼工程: classLoaderDemo.zip

下載地址：在瘋狂創客圈QQ羣文件共享。

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