Java 類載入器以及載入機制

拉丁吳發表於2016-09-03
Java

想聊Java的類載入機制就離不開Java類載入器，這是Java語言的一個很重要的創新點，曾經也是Java流行的重要原因。當初引入這個機制是為了滿足Java Applet開發的需求，簡單而言，就是為了能夠執行從從遠端下載過來的的Java類，JVM咬咬牙引入了Java類載入機制，後來的基於jvm的動態部署，外掛化開發包括大家熱議的熱修復（熱修復其實也有不基於ClassLoader的解決方案，有興趣請看我的熱修復初探），總之很多後來的技術都源於在JVM中引入了類載入器。

JVM：很慚愧，就做了一點微小的工作，謝謝大家。

載入器

好了，講完了ClassLoader的來由，接下來可以正是介紹一下類載入器。如你所知，當你寫完了一個.java檔案的時候，編譯器會把他編譯成一個由位元組碼組成的class檔案，當程式執行時，JVM會首先尋找包含有main()方法的類，把這個class檔案中的位元組碼資料讀入進來，轉化成JVM中執行時對應的Class物件。執行這個動作的，就叫類載入器。

  • ClassLoader：是Java層幾乎所有類載入器的父類，它定義了載入器的基本行為和載入動作

分類

類載入器分為可以大致分為：

  • Bootstrap ClassLoader(啟動類載入器)
    • 這個類載入器負責將一些核心的，被JVM識別的類載入進來，用C++實現，與JVM是一體的。
  • Extension ClassLoader(擴充套件類載入器)
    • 這個類載入器用來載入 Java 的擴充套件庫
  • Applicaiton ClassLoader(應用程式類載入器)
    • 用於載入我們自己定義編寫的類
  • User ClassLoader （使用者自己實現的載入器）
    • 當實際需要自己掌控類載入過程時才會用到，一般沒有用到。

與之配套的載入機制就是“雙親委派模型”：

雙親委派模型

先看看Java類載入器的體系結構： classloader.jpg 類載入邏輯程式碼：

 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            //首先檢查class是否已經被載入
            Class c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    //如果class沒有被載入且已經設定parent,那麼請求其父載入器載入
                    if (parent != null) {
                        /**
                         *注意當這裡呼叫parent.loadClass()方法找不到Class時會丟擲ClassNotFoundException異常，但是該異常是被捕獲的
                         */
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                      //如果沒有設定parent類載入器，則尋找BootstrapClss並嘗試使用Boot loader載入
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                /**
                 *如果當前這個loader所有的父載入器以及頂層的Bootstrap ClassLoader都不能載入待載入的類
                 *那麼則呼叫自己的findClass()方法來載入
                 */                
                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }複製程式碼

“雙親委派模型”簡單來說就是：

  • 1.先檢查需要載入的類是否已經被載入，如果沒有被載入，則委託父載入器載入，父類繼續檢查，嘗試請父類載入，這個過程是從下-------> 上;
  • 2.如果走到頂層發現類沒有被載入過，那麼會從頂層開始往下逐層嘗試載入，這個過程是從上 ------> 下;

需要注意的幾個問題：

  • 1，雙親XX 這種說法是有問題的，因為Java世界一直是單親家庭
  • 2，事實上載入器之間不是通過繼承，而是通過組合的方式來實現整個載入過程，即每個載入器都持有上層載入器的引用，所以父載入器是一種籠統的說法。

這裡必須要提一提JVM如何判定兩個類你是否相等：

  • JVM除了比較類是否相等還要比較載入這兩個類的類載入器是否相等，只有同時滿足條件，兩個類才能被認定是相等的。

接下來問題來了，為什麼雙親委派模型要有三層載入器而不是一層？

實際上，三層類載入器代表了JVM對於待載入類的三個信任層次，當需要載入一個全限定名為java.lang.Object的類時，JVM會首先信任頂層的引導類載入器，即優先用這個載入器嘗試載入，如果不行，JVM會選擇繼續信任第二層的擴充類載入器，往下，知道三層都無法載入，JVM才會選擇信任開發者自己定義的載入器。這種”父類“優先的載入次序有效的防止了惡意程式碼的載入。

總結

總而言之，雙親委派模型有效解決了以下問題：

  • 每一個類都只會被載入一次，避免了重複載入
  • 每一個類都會被儘可能的載入（從引導類載入器往下，每個載入器都可能會根據優先次序嘗試載入它）
  • 有效避免了某些惡意類的載入（比如自定義了Java。lang.Object類，一般而言在雙親委派模型下會載入系統的Object類而不是自定義的Object類）

tips:可以說雙親委派模型主要是為了維護Java類載入的安全，防止惡意載入，與此配套的還有名稱空間出有效的隔離,名稱空間的作用抽象理解就是

  • 豎直方向上，父載入器中載入的類對於所有子載入器可見
  • 水平方向上，子類之間各自載入的類對於各自是不可間的（達到隔離效果）

基本上，日常的開發使用的都是使用系統提供的類載入器依照“雙親委派模型”來載入的，開發者基本接觸不到載入過程。但是當你要動態載入自己的外部的類的時候，比如從網路上下載的class檔案，就需要自定義classloader來實現載入過程。

在Android中，QQZone團隊提出的基於Dex分包的熱修復解決方案就屬於載入外部的類，本來應當由開發者自己實現classloader來實現載入過程，但是Android本身已經為我們封裝好了一個classloader，就是DexClassLoader(貼心~~)

事實上，如今Java中很多外掛化開發，動態部署，熱修復等動態技術都是基於Java的類載入器來展開的。因此，我才會想專門用一篇文章總結Java的類載入器和載入機制。後面我會找時間基於HotFix詳細的分析其中的類載入過程。畢竟理論總要落實到程式碼才會讓人印象深刻。

本文如有紕漏，歡迎指出。

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