关于Java ClassLoader的（转载Richard Li ）

最近几天突然想把Java类加载器的原理搞清楚，于是在网上搜了一些资料，以下是我学习资料后的一点体会。

首先，标准的Java类加载器是有继承关系的树形结构。当JVM（Java虚拟机）启动时，会形成由三个类加载器组成的初始类加载器层次结构：

        bootstrap classloader
                 |
        extension classloader
                 |
        system classloader

bootstrap classloader：引导类加载器，它负责加载Java的核心类。在Sun的JVM中，在执行java的命令中使用-Xbootclasspath选项或使用- D选项指定sun.boot.class.path系统属性值可以指定附加的类。这个加载器的是非常特殊的，它实际上不是 java.lang.ClassLoader的子类，而是由JVM自身实现的。大家可以通过执行以下代码来获得bootstrap classloader加载了那些核心类库：
 public static void main(String args[]) {
     URL[] urls=sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
     for (URL u : urls) {
        System.out.println(u.toExternalForm());
     }  
 }
在我的计算机上(IBM Webshpere自带的IBM的JVM)的结果为：
file:/C:/WASX/java/jre/lib/vm.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/core.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/graphics.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/security.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/ibmpkcs.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/ibmorb.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/ibmcfw.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/ibmorbapi.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/ibmjcefw.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/ibmjgssprovider.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/ibmjsseprovider2.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/ibmjaaslm.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/ibmjaasactivelm.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/ibmcertpathprovider.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/server.jar
file:/C:/WASX/java/jre/lib/xml.jar
这时大家知道了为什么我们不需要在系统属性CLASSPATH中指定这些类库了吧，因为JVM在启动的时候就自动加载它们了。

extension classloader：扩展类加载器，它负责加载JRE的扩展目录（JAVA_HOME/jre/lib/ext或者由java.ext.dirs系统属性指定的目录）中JAR的类包。这为引入除Java核心类以外的新功能提供了一个标准机制。因为默认的扩展目录对所有从同一个JRE中启动的JVM都是通用的，所以放入这个目录的 JAR类包对所有的JVM和system classloader都是可见的。在这个实例上调用方法getParent()总是返回空值null，因为引导加载器bootstrap classloader不是一个真正的ClassLoader实例。所以当大家执行以下代码时：
 System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
    ClassLoader extensionClassloader = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
    System.out.println("the parent of extension classloader : " + extensionClassloader.getParent());     
结果为：
c:/wasx/java/jre/lib/ext
the parent of extension classloader : null
extension classloader是system classloader的parent，而bootstrap classloader是extension classloader的parent，但它不是一个实际的classloader，所以为null。

system classloader：系统（也称为应用）类加载器，是我们接触最多，也是最常用的类加载器。它负责在JVM启动时，加载来自在命令java中的-classpath或者java.class.path系统属性或者CLASSPATH操作系统属性所指定的JAR类包和类路径。总能通过静态方法ClassLoader.getSystemClassLoader()找到该类加载器。如果没有特别指定，则用户自定义的任何类加载器都将该类加载器作为它的父加载器。执行以下代码即可获得：
    System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
输出结果则为用户在系统属性里面设置的CLASSPATH。
classloader 加载类用的是全盘负责委托机制。所谓全盘负责，即是当一个classloader加载一个Class的时候，这个Class所依赖的和引用的所有 Class也由这个classloader负责载入，除非是显式的使用另外一个classloader载入；委托机制则是先让parent（父）类加载器寻找，只有在parent找不到的时候才从自己的类路径中去寻找。此外类加载还采用了cache机制，也就是如果cache中保存了这个Class就直接返回它，如果没有才从文件中读取和转换成Class，并存入cache，这就是为什么我们修改了Class但是必须重新启动JVM才能生效的原因。

以下是Sun的java5.0中ClassLoader.java的部分源码，从中可以看出每个ClassLoader加载Class的过程。
    protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
 throws ClassNotFoundException
    {
 //检测此Class是否载入过（即在cache中是否有此Class）
 Class c = findLoadedClass(name); 
 if (c == null) {
     try {
  if (parent != null) {
   //如果parent classloader存在，请求parent classloader载入
      c = parent.loadClass(name, false); 
  } else {
   //parent classloader不存在，那parent一定是bootstrap classloader了，
   //请求jvm从bootstrap classloader中载入
      c = findBootstrapClass0(name); 
  }
     } catch (ClassNotFoundException e) {
         //如果还没找到，调用自己的findClass方法寻找Class文件（从与此classloader相关的类路径中寻找）
         c = findClass(name);
         //如果这都没找到，就只能抛ClassNotFoundException了
     }
 }
 if (resolve) {
     resolveClass(c);
 }
 return c;  //返回Class
    }

我们可以通过覆盖ClassLoader的findClass方法来实现自己的载入策略。甚至覆盖loadClass方法来实现自己的载入过程。OSGI就是通过覆盖了loadClass方法，使他们的classloader都先从他们所依赖的多个classloader中寻找Class，从而打破了java固有的单一继承树状关系的classloader体系。因此OSGI的classloader不仅仅是一个树状的继承关系，而是一个网状的依赖(dependency)关系（当然，没有依赖回路，即没有c1->c2->c3->c1的路径）。

类加载器的顺序是：
先是bootstrap classloader，然后是extension classloader，最后才是system classloader。大家会发现加载的Class越是重要的越在靠前面。这样做的原因是出于安全性的考虑，试想如果system classloader“亲自”加载了一个具有破坏性的“java.lang.System”类的后果吧。这种委托机制保证了用户即使具有一个这样的类，也把它加入到了类路径中，但是它永远不会被载入，因为这个类总是由bootstrap classloader来加载的。大家可以执行一下以下的代码：
    System.out.println(System.class.getClassLoader());
将会看到结果是null，这就表明java.lang.System是由bootstrap classloader加载的，因为bootstrap classloader不是一个真正的ClassLoader实例，而是由JVM实现的，正如前面已经说过的。

下面就让我们来看看JVM是如何来为我们来建立类加载器的结构的：
sun.misc.Launcher，顾名思义，当你执行java命令的时候，JVM会先使用bootstrap classloader载入并初始化一个Launcher，执行下列代码：
   System.out.println("the Launcher's classloader is " + sun.misc.Launcher.getLauncher().getClass().getClassLoader());
结果为：
   the Launcher's classloader is null (因为是用bootstrap classloader加载,所以class loader为null)
Launcher 会根据系统和命令设定初始化好class loader结构，JVM就用它来获得extension classloader和system classloader,并载入所有的需要载入的Class，最后执行java命令指定的带有静态的main方法的Class。extension classloader实际上是sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类的一个实例，system classloader实际上是sun.misc.Launcher$AppClassLoader类的一个实例。并且都是 java.net.URLClassLoader的子类。

让我们来看看Launcher初试化的过程的部分代码。

Launcher的部分代码：
public class Launcher  {
    public Launcher() {
        ExtClassLoader extclassloader;
        try {
            //初始化extension classloader
            extclassloader = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch(IOException ioexception) {
            throw new InternalError("Could not create extension class loader");
        }
        try {
            //初始化system classloader，parent是extension classloader
            loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extclassloader);
        } catch(IOException ioexception1) {
            throw new InternalError("Could not create application class loader");
        }
        //将system classloader设置成当前线程的context classloader（将在后面加以介绍）
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
        ......
    }
    public ClassLoader getClassLoader() {
        //返回system classloader
        return loader;
    }
}

extension classloader的部分代码：
static class Launcher$ExtClassLoader extends URLClassLoader {

    public static Launcher$ExtClassLoader getExtClassLoader()
        throws IOException
    {
        File afile[] = getExtDirs();
        return (Launcher$ExtClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$1(afile));
    }
   private static File[] getExtDirs() {
        //获得系统属性"java.ext.dirs"
        String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
        File afile[];
        if(s != null) {
            StringTokenizer stringtokenizer = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
            int i = stringtokenizer.countTokens();
            afile = new File;
            for(int j = 0; j < i; j++)
                afile[j] = new File(stringtokenizer.nextToken());

        } else {
            afile = new File[0];
        }
        return afile;
    }
}

system classloader的部分代码：
static class Launcher$AppClassLoader extends URLClassLoader
{

    public static ClassLoader getAppClassLoader(ClassLoader classloader)
        throws IOException
    {
        //获得系统属性“java.class.path”
        String s = System.getProperty("java.class.path");
        File afile[] = s != null ? Launcher.access$200(s) : new File[0];
        return (Launcher$AppClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$2(s, afile, classloader));
    }
}

看了源代码大家就清楚了吧，extension classloader是使用系统属性“java.ext.dirs”设置类搜索路径的，并且没有parent。system classloader是使用系统属性“java.class.path”设置类搜索路径的，并且有一个parent classloader。Launcher初始化extension classloader，system classloader，并将system classloader设置成为context classloader，但是仅仅返回system classloader给JVM。

　　这里怎么又出来一个context classloader呢？它有什么用呢？我们在建立一个线程Thread的时候，可以为这个线程通过setContextClassLoader方法来指定一个合适的classloader作为这个线程的context classloader，当此线程运行的时候，我们可以通过getContextClassLoader方法来获得此context classloader，就可以用它来载入我们所需要的Class。默认的是system classloader。利用这个特性，我们可以“打破”classloader委托机制了，子classloader可以获得当前线程的context classloader，而这个context classloader可以是它的父classloader或者其他的classloader，那么子classloader就可以从其获得所需的Class，这就打破了只能向父classloader请求的限制了。这个机制可以满足当我们的classpath是在运行时才确定,并由定制的 classloader加载的时候,由system classloader(即在jvm classpath中)加载的class可以通过context classloader获得定制的classloader并加载入特定的class(通常是抽象类和接口,定制的classloader中是其实现),例如web应用中的servlet就是用这种机制加载的。