Java虚拟机知识整理——类加载器

什么是类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中“通过一个类的全限定名来描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类，实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。
类加载器可以说是Java语言的一项创新。也是Java语言流行的重要原因之一，它最初是为了满足JavaApplet的需求而开发出来的。虽然目前JavaApplet技术已经基本死掉，但类加载器却在类层次划分、OSGi、热部署、代码加密等领域大放异彩成为了Java技术体系中一块重要的基石，可谓是失之桑榆，收之东隅。

类与类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。这句话可以表达得更加通俗一些：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下次啊游意义，否则，及时这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。
这里所指的“相等”,包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括使用instanceof关键字作对象所属关系判定等情况。古国没有注意到类加载器的影响，在某些情况下可能会产生具有迷惑性的结果。

双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器，这类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；另一种就是所用其他的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部都继承自抽象类java.langClassLoader.
从Java开发人员的角度来看，类加载器还可以华为得更细致一点，绝大部分Java程序都会用到以下3中系统提供的类加载器：

• 启动类加载器：这个类加载器负责将存放在< JAVA_HOME>\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名称识别，名字不符合的类库及时放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中，启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自动以类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，那直接使用null代替即可。
• 扩展类加载器：这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载< JAVA_HOME>\lib\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
• 应用类加载器：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器，它负责加载用户类路径上指定的类库（ClassPath），开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过直接的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。
  我们的应用程序都是由这3种类加载器相互配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自己定义的类加载器。这些类加载器的层次顺序如下：启动类加载器，扩展类加载器，应用程序类加载器，自定义加载器。
  这种类加载器之间的层次关系称为类加载器的双亲委派模型。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有之间的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会一继承的关系来实现，而是都使用组合关系来服用父加载器的代码。
  双亲委派模型的工作过程是：如果一个雷加载器收到了类加载的请求，它首先不会之间尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完全，每一层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈之间无法完成这个加载请求时（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试之间去加载。
  使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是Java类随着它的类加载器一起举杯了一种带有优先级的层次关系。如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户之间编写了一个称为java.lang.Object的类，并放在ClassPath中，那系统中会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。
  双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作很重要，但它的实现却非常简单，实现双亲蚊拍的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中,逻辑清晰易懂：先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法，若父类加载器为空则默认使用启动类加载器作为类加载器。如果父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载。

破坏双亲委派模型

上面提到的双亲委派模型并不是一个强制性的约束模型，而是Java设计者推荐给开发者的类加载器实现方式。在Java的世界中大部分的类加载器都遵循这个模型，但也有例外，到目前为止，双亲委派模型主要出现过3次较大规模的“被破坏”情况。
双亲委派模型的第一次“被破坏”其实发生在双亲委派模型出现之前。由于双亲委派模型在JDK1.2之后才被引入，而类加载器和抽象类java.lang.ClassLoader则在JDK1.0的时代已经存在，面对已经存在的用户自定义类加载器的实现代码，Java设计者引入双亲委派模型时不得不做一些妥协。为了向前兼容，JDK1.2之后的java.lang.ClassLoader添加了一个新的protected方法findClass(),在此之前，用户去继承java.lang.ClassLoader的唯一目的就是为了重写loadClass()方法，因为虚拟机在进行类加载的时候回调用加载器的私有方法loadClassInternal(),而这个方法的唯一逻辑就是去调用之间的loadClass()。
所以在JDK1.2之后已经不再提倡用户再去覆盖loadClass()方法，而映带把之间的类加载逻辑写到findClass()方法中，在loadClass()方法中的逻辑里如果父类加载失败，则会调用之间的findClass()方法来完成加载，这样就可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规划的。

双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷所导致的，双亲委派很好得解决了各个类加载器的基础类统一问题（越基础的类由越上层的加载类进行加载），基础类之所有被称为“基础”，是因为他们总是作为被用户代码调用的API，但世事没有绝对的完美，如果基础类又要调用回用户的代码，那怎么办？
为了解决这个问题，Java设计团队只好引入了一个不太优雅的设计：线程上下文类加载器。这类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoaser（）方法进行设置，如果穿件线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。有了线程上下文类加载器，就可以做一些“舞弊”的事情了JNDI服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需要的SPI代码，也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载器的动作，这种行为实际上就是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器，实际上已经违背了双亲委派模型的一般性原则，但这也是无可奈何的事情。Java中所有涉及SPI的加载动作基本上都采用这种方式，例如JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等。
双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序对泰兴的追求而导致的，这里所说的“动态性”指的是当前一些非常“热门”的名词：代码热替换、模块代码热部署等，说白了就是希望应用程序能像我们的计算机外设那样，街上鼠标、U盘，不用重启机器就能激励使用，鼠标有问题或要升级就换个鼠标，不用停机也不用重启。对于个人计算机来说，重启一次其实没什么大不了的，但对于一些生产系统来说，关机重启一次可能就要被列为生产事故，这种情况下热部署就对软件开发者，尤其是企业级软件开发者具有很大的吸引力。
在ISGi环境下，类加载不再是双亲委派模型中的树状结构，而是进一步发展为更加复杂的网状结构，当收到类加载请求时，OSGi将按照下面的顺序进行类搜索。
1. 将以java.*开头的类委派给父类加载器加载。
2. 否则，将委派列表名单内的类委派给父类加载器加载。
3. 否则，将Import列表中的类委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。
4. 否则，查找当前Bundle的ClassPath，使用自己的类加载加载。
5. 否则，查找类是否在自己的FragmentBundle中，如果在，委派给FramentBundle的类加载器加载。
6. 否则，查找DynamicImport列表的Bundle，委派给对应Bundle的类加载器加载。
7. 否则，类查找失败。
上面的查找顺序中只有开头两点仍然付哈双亲委派规则，其余的类查找都是在评级的类加载器中进行的。
这里虽然是用“被破坏”这个词类形容上述不符合双亲委派模型原则的行为，但这里的“被破坏”并没有贬义的感情色彩。只要有足够意义和理由，突破已有原则就可认为是一种创新，算是另一种意义上的“浴火重生”。