ClassLoader 是 Java 虛擬機(jī) (JVM) 的類裝載子系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)將 Java 字節(jié)碼裝載到 JVM 中， 并使其成為 JVM 一部分。 JVM 的類動(dòng)態(tài)裝載技術(shù)能夠在運(yùn)行時(shí)刻動(dòng)態(tài)地加載或者替換系統(tǒng)的某些功能模塊 , 而不影響系統(tǒng)其他功能模塊的正常運(yùn)行。本文將分析 JVM 中的類裝載系統(tǒng)，探討 JVM 中類裝載的原理、實(shí)現(xiàn)以及應(yīng)用。
2 裝載過程簡介
類 裝載就是尋找一個(gè)類或是一個(gè)接口的字節(jié)碼文件并通過解析該字節(jié)碼來構(gòu)造代表這個(gè)類或是這個(gè)接口的 class 對象的過程。在 Java 中，類裝載器把一個(gè)類裝入 Java 虛擬機(jī)中，要經(jīng)過三個(gè)步驟來完成：裝載、鏈接和初始化，其中鏈接又可以分成校驗(yàn)、準(zhǔn)備和解析三步，除了解析外，其它步驟是嚴(yán)格按照順序完成的，各個(gè)步驟的 主要工作如下：
1. 裝載：查找和導(dǎo)入類或接口的字節(jié)碼；
2. 鏈接：執(zhí)行下面的校驗(yàn)、準(zhǔn)備和解析步驟，其中解析步驟是可以選擇的；
l 校驗(yàn)：檢查導(dǎo)入類或接口的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的正確性；
l 準(zhǔn)備：給類的靜態(tài)變量分配并初始化存儲空間；
l 解析：將符號引用轉(zhuǎn)成直接引用；
3. 初始化：激活類的靜態(tài)變量的初始化 Java 代碼和靜態(tài) Java 代碼塊。
至于在類裝載和虛擬機(jī)啟動(dòng)的過程中的具體細(xì)節(jié)和可能會拋出的錯(cuò)誤，請參看《 Java 虛擬機(jī)規(guī)范》以及《深入 Java 虛擬機(jī)》。 由于本文的討論重點(diǎn)不在此就不再多敘述。
2.1 裝載的實(shí)現(xiàn)
JVM 中類的裝載是由 ClassLoader 和它的子類來實(shí)現(xiàn)的。 Java ClassLoader 是一個(gè)重要的 Java 運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)組件，它負(fù)責(zé)在運(yùn)行時(shí)查找和裝入 Java 字節(jié)碼。
在 Java 中， ClassLoader 是一個(gè)抽象類，它在包 java.lang 中。可以這樣說，只要了解了 ClassLoader 中的一些重要的方法，再結(jié)合上面所介紹的 JVM 中類裝載的具體的過程，對動(dòng)態(tài)裝載類這項(xiàng)技術(shù)就有了一個(gè)比較大概的掌握，這些重要的方法包括以下幾個(gè)：
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1. loadCass 方法： loadClass(String name ,boolean resolve) 其中 name 參數(shù)指定了 JVM 需要的類的名稱 , 該名稱以類的全限定名表示，如 Java.lang.Object ； resolve 參數(shù)告訴方法是否需要解析類，在初始化類之前，應(yīng)考慮類解析，并不是所有的類都需要解析，如果 JVM 只需要知道該類是否存在或找出該類的超類，那么就不需要解析。這個(gè)方法是 ClassLoader 的入口點(diǎn)。
2. defineClass 方法 這個(gè)方法接受類文件的字節(jié)數(shù)組并把它轉(zhuǎn)換成 Class 對象。字節(jié)數(shù)組可以是從本地文件系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)裝入的數(shù)據(jù)。它把字節(jié)碼分析成運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、校驗(yàn)有效性等等。
3. findSystemClass 方法 findSystemClass 方法從本地文件系統(tǒng)裝入 Java 字節(jié)碼。它在本地文件系統(tǒng)中尋找類文件，如果存在，就使用 defineClass 將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換成 Class 對象。當(dāng)運(yùn)行 Java 應(yīng)用程序時(shí) , 這是 JVM 正常裝入類的缺省機(jī)制。
4. resolveClass 方法 resolveClass(Class c) 方法解析裝入的類，如果該類已經(jīng)被解析過那么將不做處理。當(dāng)調(diào)用 loadClass 方法時(shí) , 通過它的 resolve 參數(shù)決定是否要進(jìn)行解析。
5. findLoadedClass 方法 當(dāng)調(diào)用 loadClass 方法裝入類時(shí) , 調(diào)用 findLoadedClass 方法來查看 ClassLoader 是否已裝入這個(gè)類 , 如果已裝入 , 那么返回 Class 對象 , 否則返回 NULL 。如果強(qiáng)行裝載已存在的類 , 將會拋出鏈接錯(cuò)誤。
2.2 裝載的應(yīng)用
一般來說，我們實(shí)現(xiàn)自定義的 ClassLoader 需要繼承抽象類 java.lang.ClassLoader ，其中必須實(shí)現(xiàn)的方法是 loadClass(String name) ，對于這個(gè)方法需要實(shí)現(xiàn)如下操作：
(1) 確認(rèn)類的名稱；
(2) 檢查請求要裝載的類是否已經(jīng)被裝載；
(3) 檢查請求加載的類是否是系統(tǒng)類；
(4) 嘗試從類裝載器的存儲區(qū)獲取所請求的類；
(5) 在虛擬機(jī)中定義所請求的類；
(6) 解析所請求的類；
(7) 返回所請求的類。
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所 有的 Java 虛擬機(jī)都包括一個(gè)內(nèi)置的類裝載器，這個(gè)內(nèi)置的類庫裝載器被稱為根裝載器 (bootstrap ClassLoader) 。根裝載器的特殊之處是它只能夠裝載基本的 Java 類，如 rt.jar 中的 class 。當(dāng)應(yīng)用程序可以使用用戶自定義的 ClassLoader 來加載特定 ClassPath 下的類。下面的例子是 JDK5.0 的 URLClassLoader 的實(shí)現(xiàn)。
?
public
class
URLClassLoader
extends
SecureClassLoader
{
……
protected
Class
<?>
findClass(
final
Stringname)
throws
ClassNotFoundException
{
try
{
return
(Class)
AccessController.doPrivileged(
new
PrivilegedExceptionAction()
{
public
Objectrun()
throws
ClassNotFoundException
{
//
由類的全限定名得到物理路徑
Stringpath
=
name.replace(
'
.
'
,
'
/
'
).concat(
"
.class
"
);
//
從URLsClassPath中取得相應(yīng)的字節(jié)碼
Resourceres
=
ucp.getResource(path,
false
);
if
(res
!=
null
)
{
try
{
//
由Java字節(jié)碼創(chuàng)建一個(gè)Class對象
return
defineClass(name,res);
}
catch
(IOExceptione)
{
throw
new
ClassNotFoundException(name,e);
}
}
else
{
throw
new
ClassNotFoundException(name);
}
}
}
,acc);
}
catch
(java.security.PrivilegedActionExceptionpae)
{
throw
(ClassNotFoundException)pae.getException();
}
}
……
}
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?
?
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2.3 Java 虛擬機(jī)的類裝載原理
前 面我們已經(jīng)知道，一個(gè) Java 應(yīng)用程序使用兩種類型的類裝載器：根裝載器 (bootstrap) 和用戶定義的裝載器 (user-defined) 。根裝載器是 Java 虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的一部分。根裝載器以某種默認(rèn)的方式將類裝入，包括 Java API 的類。在運(yùn)行期間，一個(gè) Java 程序能使用用戶自己定義的類裝載器。根裝載器是虛擬機(jī)固有的一部分，而用戶定義的類裝載器則不是，它是用 Java 語言寫的，被編譯成 class 文件之后然后再被裝入到虛擬機(jī)，并像其它的任何對象一樣可以被實(shí)例化。 Java 類裝載器的體系結(jié)構(gòu)如下所示：
Java 的類裝載的體系結(jié)構(gòu)
Java 的類裝載模型是一種代理 (delegation) 模型。當(dāng) JVM 要求類裝載器 CL(ClassLoader) 裝載一個(gè)類時(shí) ,CL 首先將這個(gè)類裝載請求轉(zhuǎn)發(fā)給他的父裝載器。只有當(dāng)父裝載器沒有裝載并無法裝載這個(gè)類時(shí) ,CL 才獲得裝載這個(gè)類的機(jī)會。這樣 , 所有類裝載器的代理關(guān)系構(gòu)成了一種樹狀的關(guān)系。樹的根是類的根裝載器 (bootstrap ClassLoader) , 在 JVM 中它以 "null" 表示。除根裝載器以外的類裝載器有且僅有一個(gè)父裝載器。在創(chuàng)建一個(gè)裝載器時(shí) , 如果沒有顯式地給出父裝載器 , 那么 JVM 將默認(rèn)系統(tǒng)裝載器為其父裝載器。 Java 的基本類裝載器代理結(jié)構(gòu)如圖 2 所示：
Java 類裝載的代理結(jié)構(gòu)
下面針對各種類裝載器分別進(jìn)行詳細(xì)的說明。
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根 (Bootstrap) 裝載器：該裝載器沒有父裝載器，它是 JVM 實(shí)現(xiàn)的一部分，從 sun.boot.class.path 裝載運(yùn)行時(shí)庫的核心代碼。
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?
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擴(kuò)展 (Extension) 裝載器：繼承的父裝載器為根裝載器，不像根裝載器可能與運(yùn)行時(shí)的操作系統(tǒng)有關(guān)，這個(gè)類裝載器是用純 Java 代碼實(shí)現(xiàn)的，它從 java.ext.dirs ( 擴(kuò)展目錄 ) 中裝載代碼。
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系 統(tǒng) (System or Application) 裝載器：裝載器為擴(kuò)展裝載器，我們都知道在安裝 JDK 的時(shí)候要設(shè)置環(huán)境變量 (CLASSPATH ) ，這個(gè)類裝載器就是從 java.class.path(CLASSPATH 環(huán)境變量 ) 中裝載代碼的，它也是用純 Java 代碼實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還是用戶自定義類裝載器的缺省父裝載器。
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小應(yīng)用程序 (Applet) 裝載器：父裝載器為系統(tǒng)裝載器，它從用戶指定的網(wǎng)絡(luò)上的特定目錄裝載小應(yīng)用程序代碼。
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在設(shè)計(jì)一個(gè)類裝載器的時(shí)候，應(yīng)該滿足以下兩個(gè)條件：
?
對于相同的類名，類裝載器所返回的對象應(yīng)該是同一個(gè)類對象
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如果類裝載器 CL1 將裝載類 C 的請求轉(zhuǎn)給類裝載器 CL2 ，那么對于以下的類或接口， CL1 和 CL2 應(yīng)該返回同一個(gè)類對象：
a) S 為 C 的直接超類；
b) S 為 C 的直接超接口；
c) S 為 C 的成員變量的類型；
d) S 為 C 的成員方法或構(gòu)建器的參數(shù)類型；
e) S 為 C 的成員方法的返回類型。
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每 個(gè)已經(jīng)裝載到 JVM 中的類對象都含有裝載它的類裝載器的信息。 Class 類的方法 getClassLoader 可以得到裝載這個(gè)類的類裝載器。一個(gè)類裝載器認(rèn)識的類包括它的父裝載器認(rèn)識的類和它自己裝載的類，由此可見類裝載器認(rèn)識的類是它自己裝載的類的超集。注 意，我們可以得到類裝載器的有關(guān)的信息，但是已經(jīng)裝載到 JVM 中的類是不能更改它的類裝載器的。
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Java 中的類的裝載過程也就是代理裝載的過程。比如： Web 瀏覽器中的 JVM 需要裝載一個(gè)小應(yīng)用程序 TestApplet 。 JVM 調(diào)用小應(yīng)用程序裝載器 ACL(Applet ClassLoader) 來完成裝載。 ACL 首先請求它的父裝載器 , 即系統(tǒng)裝載器裝載 TestApplet 是否裝載了這個(gè)類，由于 TestApplet 不在系統(tǒng)裝載器的裝載路徑中 , 所以系統(tǒng)裝載器沒有找到這個(gè)類 , 也就沒有裝載成功。接著 ACL 自己裝載 TestApplet 。 ACL 通過網(wǎng)絡(luò)成功地找到了 TestApplet.class 文件并將它導(dǎo)入到了 JVM 中。在裝載過程中 , JVM 發(fā)現(xiàn) TestAppet 是從超類 java.applet.Applet 繼承的。所以 JVM 再次調(diào)用 ACL 來裝載 java.applet.Applet 類。 ACL 又再次按上面的順序裝載 Applet 類 , 結(jié)果 ACL 發(fā)現(xiàn)他的父裝載器已經(jīng)裝載了這個(gè)類 , 所以 ACL 就直接將這個(gè)已經(jīng)裝載的類返回給了 JVM , 完成了 Applet 類的裝載。接下來 ,Applet 類的超類也一樣處理。最后 , TestApplet 及所有有關(guān)的類都裝載到了 JVM 中。
2.4 總結(jié)
類的動(dòng)態(tài)裝載機(jī)制是JVM的一項(xiàng)核心技術(shù), 也是容易被忽視而引起很多誤解的地方。本文介紹了JVM中類裝載的原理、實(shí)現(xiàn)以及應(yīng)用，分析了ClassLoader的結(jié)構(gòu)、用途以及如何利用自定義的 ClassLoader裝載并執(zhí)行Java類，希望能使大家對JVM中的類裝載有一個(gè)比較深入的理解。
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