1 ????????? 前言

ClassLoader 是 Java 虛擬機 (JVM) 的類裝載子系統(tǒng)，它負責(zé)將 Java 字節(jié)碼裝載到 JVM 中， 并使其成為 JVM 一部分。 JVM 的類動態(tài)裝載技術(shù)能夠在運行時刻動態(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、實現(xiàn)以及應(yīng)用。

2 ????????? 裝載過程簡介

類裝載就是尋找一個類或是一個接口的字節(jié)碼文件并通過解析該字節(jié)碼來構(gòu)造代表這個類或是這個接口的 class 對象的過程。在 Java 中，類裝載器把一個類裝入 Java 虛擬機中，要經(jīng)過三個步驟來完成：裝載、鏈接和初始化，其中鏈接又可以分成校驗、準(zhǔn)備和解析三步，除了解析外，其它步驟是嚴格按照順序完成的，各個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、準(zhǔn)備和解析步驟，其中解析步驟是可以選擇的；

l??????? 校驗：檢查導(dǎo)入類或接口的二進制數(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啟動的過程中的具體細節(jié)和可能會拋出的錯誤，請參看《 Java 虛擬機規(guī)范》以及《深入 Java 虛擬機》。 由于本文的討論重點不在此就不再多敘述。

2.1 ????????? 裝載的實現(xiàn)

JVM 中類的裝載是由 ClassLoader 和它的子類來實現(xiàn)的。 Java ClassLoader 是一個重要的 Java 運行時系統(tǒng)組件，它負責(zé)在運行時查找和裝入 Java 字節(jié)碼。

在 Java 中， ClassLoader 是一個抽象類，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，對動態(tài)裝載類這項技術(shù)就有了一個比較大概的掌握，這些重要的方法包括以下幾個：

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。這個方法是 ClassLoader 的入口點。

2.??????? defineClass 方法 ? 這個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)碼分析成運行時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、校驗有效性等等。

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)運行 Java 應(yīng)用程序時 , 這是 JVM 正常裝入類的缺省機制。

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 , 通過它的 resolve 參數(shù)決定是否要進行解析。

5.??????? findLoadedClass 方法 ? 當(dāng)調(diào)用 loadClass 方法裝入類時 , 調(diào)用 findLoadedClass 方法來查看 ClassLoader 是否已裝入這個類 , 如果已裝入 , 那么返回 Class 對象 , 否則返回 NULL 。如果強行裝載已存在的類 , 將會拋出鏈接錯誤。

2.2 ????????? 裝載的應(yīng)用

一般來說，我們實現(xiàn)自定義的 ClassLoader 需要繼承抽象類 java.lang.ClassLoader ，其中必須實現(xiàn)的方法是 loadClass(String name) ，對于這個方法需要實現(xiàn)如下操作：

(1) 確認類的名稱；

(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) 在虛擬機中定義所請求的類；

(6) 解析所請求的類；

(7) 返回所請求的類。

所有的 Java 虛擬機都包括一個內(nèi)置的類裝載器，這個內(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 的實現(xiàn)。

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2.3 ????????? Java 虛擬機的類裝載原理

前面我們已經(jīng)知道，一個 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 虛擬機實現(xiàn)的一部分。根裝載器以某種默認的方式將類裝入，包括 Java API 的類。在運行期間，一個 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，并像其它的任何對象一樣可以被實例化。 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) 裝載一個類時 ,CL 首先將這個類裝載請求轉(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類時 ,CL 才獲得裝載這個類的機會。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父裝載器。在創(chuàng)建一個裝載器時 , 如果沒有顯式地給出父裝載器 , 那么 JVM 將默認系統(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行詳細的說明。

根 (Bootstrap) 裝載器：該裝載器沒有父裝載器，它是 JVM 實現(xiàn)的一部分，從 sun.boot.class.path 裝載運行時庫的核心代碼。

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擴展 (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行時的操作系統(tǒng)有關(guān)，這個類裝載器是用純 Java 代碼實現(xiàn)的，它從 java.ext.dirs ( 擴展目錄 ) 中裝載代碼。

系統(tǒng) (System or Application) 裝載器：裝載器為擴展裝載器，我們都知道在安裝 JDK 的時候要設(shè)置環(huán)境變量 (CLASSPATH ) ，這個類裝載器就是從 java.class.path(CLASSPATH 環(huán)境變量 ) 中裝載代碼的，它也是用純 Java 代碼實現(xiàn)的，同時還是用戶自定義類裝載器的缺省父裝載器。

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。

在設(shè)計一個類裝載器的時候，應(yīng)該滿足以下兩個條件：

對于相同的類名，類裝載器所返回的對象應(yīng)該是同一個類對象

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。

每個已經(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 可以得到裝載這個類的類裝載器。一個類裝載器認識的類包括它的父裝載器認識的類和它自己裝載的類，由此可見類裝載器認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。

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)裝載了這個類 , 所以 ACL 就直接將這個已經(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)

??? 類的動態(tài)裝載機制是JVM的一項核心技術(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中的類裝載有一個比較深入的理解。