java classLoader 體系結構

原文出處：http://blog.chenlb.com/2009/06/java-classloader-architecture.html

jvm classLoader architecture：

1. Bootstrap ClassLoader/啓動類加載器
   主要負責jdk_home/lib目錄下的核心 api 或 -Xbootclasspath 選項指定的jar包裝入工作。
2. Extension ClassLoader/擴展類加載器
   主要負責jdk_home/lib/ext目錄下的jar包或 -Djava.ext.dirs 指定目錄下的jar包裝入工作。
3. System ClassLoader/系統類加載器
   主要負責java -classpath/-Djava.class.path所指的目錄下的類與jar包裝入工作。
4. User Custom ClassLoader/用戶自定義類加載器(java.lang.ClassLoader的子類)
   在程序運行期間, 通過java.lang.ClassLoader的子類動態加載class文件, 體現java動態實時類裝入特性。

類加載器的特性：

1. 每個ClassLoader都維護了一份自己的名稱空間， 同一個名稱空間裏不能出現兩個同名的類。
2. 爲了實現java安全沙箱模型頂層的類加載器安全機制, java默認採用了 " 雙親委派的加載鏈 " 結構。

classloader-architecture

classloader-class-diagram

類圖中， BootstrapClassLoader是一個單獨的java類， 其實在這裏， 不應該叫他是一個java類。因爲，它已經完全不用java實現了。它是在jvm啓動時， 就被構造起來的， 負責java平臺核心庫。

自定義類加載器加載一個類的步驟

classloader-load-class

ClassLoader 類加載邏輯分析， 以下邏輯是除 BootstrapClassLoader 外的類加載器加載流程：

// 檢查類是否已被裝載過
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null ) {
     // 指定類未被裝載過
     try {
         if (parent != null ) {
             // 如果父類加載器不爲空， 則委派給父類加載
             c = parent.loadClass(name, false );
         } else {
             // 如果父類加載器爲空， 則委派給啓動類加載加載
             c = findBootstrapClass0(name);
         }
     } catch (ClassNotFoundException e) {
         // 啓動類加載器或父類加載器拋出異常後， 當前類加載器將其
         // 捕獲， 並通過findClass方法， 由自身加載
         c = findClass(name);
     }
}

// 檢查類是否已被裝載過
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null ) {
     // 指定類未被裝載過
     try {
         if (parent != null ) {
             // 如果父類加載器不爲空， 則委派給父類加載
             c = parent.loadClass(name, false );
         } else {
             // 如果父類加載器爲空， 則委派給啓動類加載加載
             c = findBootstrapClass0(name);
         }
     } catch (ClassNotFoundException e) {
         // 啓動類加載器或父類加載器拋出異常後， 當前類加載器將其
         // 捕獲， 並通過findClass方法， 由自身加載
         c = findClass(name);
     }
}

線程上下文類加載器
java默認的線程上下文類加載器是 系統類加載器(AppClassLoader)。

// Now create the class loader to use to launch the application
try {
    loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
} catch (IOException e) {
    throw new InternalError(
"Could not create application class loader" );
}

// Also set the context class loader for the primordial thread.
Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);

// Now create the class loader to use to launch the application
try {
    loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
} catch (IOException e) {
    throw new InternalError(
"Could not create application class loader" );
} 

// Also set the context class loader for the primordial thread.
Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);

以上代碼摘自sun.misc.Launch的無參構造函數Launch()。

使用線程上下文類加載器, 可以在執行線程中, 拋棄雙親委派加載鏈模式, 使用線程上下文裏的類加載器加載類.
典型的例子有, 通過線程上下文來加載第三方庫jndi實現, 而不依賴於雙親委派.
大部分java app服務器(jboss, tomcat..)也是採用contextClassLoader來處理web服務。
還有一些採用 hotswap 特性的框架, 也使用了線程上下文類加載器, 比如 seasar (full stack framework in japenese).

線程上下文從根本解決了一般應用不能違背雙親委派模式的問題.
使java類加載體系顯得更靈活.

隨着多核時代的來臨, 相信多線程開發將會越來越多地進入程序員的實際編碼過程中. 因此,
在編寫基礎設施時， 通過使用線程上下文來加載類, 應該是一個很好的選擇。

當然, 好東西都有利弊. 使用線程上下文加載類, 也要注意, 保證多根需要通信的線程間的類加載器應該是同一個,
防止因爲不同的類加載器, 導致類型轉換異常(ClassCastException)。

爲什麼要使用這種雙親委託模式呢？

1. 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。
2. 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。

java動態載入class的兩種方式：

1. implicit隱式,即利用實例化才載入的特性來動態載入class
2. explicit顯式方式,又分兩種方式:
   1. java.lang.Class的forName()方法
   2. java.lang.ClassLoader的loadClass()方法

用Class.forName加載類

Class.forName使用的是被調用者的類加載器來加載類的。
這種特性, 證明了java類加載器中的名稱空間是唯一的, 不會相互干擾。
即在一般情況下, 保證同一個類中所關聯的其他類都是由當前類的類加載器所加載的。

public static Class forName(String className)
     throws ClassNotFoundException {
     return forName0(className, true , ClassLoader.getCallerClassLoader());
}

/** Called after security checks have been made. */
private static native Class forName0(String name, boolean initialize,
ClassLoader loader)
     throws ClassNotFoundException;

public static Class forName(String className)
     throws ClassNotFoundException {
     return forName0(className, true , ClassLoader.getCallerClassLoader());
} 

/** Called after security checks have been made. */
private static native Class forName0(String name, boolean initialize,
ClassLoader loader)
     throws ClassNotFoundException;

上面中 ClassLoader.getCallerClassLoader 就是得到調用當前forName方法的類的類加載器

static塊在什麼時候執行?

• 當調用forName(String)載入class時執行,如果調用ClassLoader.loadClass並不會執行.forName(String,false,ClassLoader)時也不會執行.
• 如果載入Class時沒有執行static塊則在第一次實例化時執行.比如new ,Class.newInstance()操作
• static塊僅執行一次

各個java類由哪些classLoader加載?

• java類可以通過實例.getClass.getClassLoader()得知
• 接口由AppClassLoader(System ClassLoader,可以由ClassLoader.getSystemClassLoader()獲得實例)載入
• ClassLoader類由bootstrap loader載入

NoClassDefFoundError和ClassNotFoundException

• NoClassDefFoundError:當java源文件已編譯成.class文件,但是ClassLoader在運行期間在其搜尋路徑load某個類時,沒有找到.class文件則報這個錯
• ClassNotFoundException:試圖通過一個String變量來創建一個Class類時不成功則拋出這個異常

參考：

• 重溫java之classloader體系結構（含hotswap）
• classloader相關基礎知識

其它相關 classloader：

• [筆記]類加載器
• 深入瞭解Java ClassLoader、Bytecode 、ASM、cglib
• 解讀ClassLoader