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超詳細java中的ClassLoader詳解

阿新 • • 發佈：2019-01-31

本篇文章已授權微信公眾號 guolin_blog （郭霖）獨家釋出

ClassLoader翻譯過來就是類載入器，普通的Java開發者其實用到的不多，但對於某些框架開發者來說卻非常常見。理解ClassLoader的載入機制，也有利於我們編寫出更高效的程式碼。ClassLoader的具體作用就是將class檔案載入到jvm虛擬機器中去，程式就可以正確運行了。但是，jvm啟動的時候，並不會一次性載入所有的class檔案，而是根據需要去動態載入。想想也是的，一次性載入那麼多jar包那麼多class，那記憶體不崩潰。本文的目的也是學習ClassLoader這種載入機制。

備註：本文篇幅比較長，但內容簡單，大家不要恐慌，安靜地耐心翻閱就是

Class檔案的認識

我們都知道在Java中程式是執行在虛擬機器中，我們平常用文字編輯器或者是IDE編寫的程式都是.java格式的檔案，這是最基礎的原始碼，但這類檔案是不能直接執行的。如我們編寫一個簡單的程式HelloWorld.java

public class HelloWorld{

    public static void main(String[] args){
        System.out.println("Hello world!");
    }
}
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如圖： 
這裡寫圖片描述 
然後，我們需要在命令列中進行java檔案的編譯

javac HelloWorld.java
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這裡寫圖片描述 
可以看到目錄下生成了.class檔案

我們再從命令列中執行命令：

java HelloWorld
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這裡寫圖片描述

上面是基本程式碼示例，是所有入門JAVA語言時都學過的東西，這裡重新拿出來是想讓大家將焦點回到class檔案上，class檔案是位元組碼格式檔案，java虛擬機器並不能直接識別我們平常編寫的.java原始檔，所以需要javac這個命令轉換成.class檔案。另外，如果用C或者Python編寫的程式正確轉換成.class檔案後，java虛擬機器也是可以識別執行的。更多資訊大家可以參考這篇。

瞭解了.class檔案後，我們再來思考下，我們平常在Eclipse中編寫的java程式是如何執行的，也就是我們自己編寫的各種類是如何被載入到jvm(java虛擬機器)中去的。

你還記得java環境變數嗎？

初學java的時候，最害怕的就是下載JDK後要配置環境變量了，關鍵是當時不理解，所以戰戰兢兢地照著書籍上或者是網路上的介紹進行操作。然後下次再弄的時候，又忘記了而且是必忘。當時，心裡的想法很氣憤的，想著是–這東西一點也不人性化，為什麼非要自己配置環境變數呢？太不照顧菜鳥和新手了，很多菜鳥就是因為卡在環境變數的配置上，遭受了太多的挫敗感。

因為我是在Windows下程式設計的，所以只講Window平臺上的環境變數，主要有3個：JAVA_HOME、PATH、CLASSPATH。

JAVA_HOME

指的是你JDK安裝的位置，一般預設安裝在C盤，如

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_91
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PATH

將程式路徑包含在PATH當中後，在命令列視窗就可以直接鍵入它的名字了，而不再需要鍵入它的全路徑,比如上面程式碼中我用的到javac和java兩個命令。 
一般的

PATH=%JAVA_HOME%\bin;%JAVA_HOME%\jre\bin;%PATH%;
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也就是在原來的PATH路徑上新增JDK目錄下的bin目錄和jre目錄的bin.

CLASSPATH

CLASSPATH=.;%JAVA_HOME%\lib;%JAVA_HOME%\lib\tools.jar
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一看就是指向jar包路徑。 
需要注意的是前面的.;，.代表當前目錄。

環境變數的設定與檢視

設定可以右擊我的電腦，然後點選屬性，再點選高階，然後點選環境變數，具體不明白的自行查閱文件。

檢視的話可以開啟命令列視窗


echo %JAVA_HOME%

echo %PATH%

echo %CLASSPATH%
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好了，扯遠了，知道了環境變數，特別是CLASSPATH時，我們進入今天的主題Classloader.

JAVA類載入流程

Java語言系統自帶有三個類載入器: 
- Bootstrap ClassLoader 最頂層的載入類，主要載入核心類庫，%JRE_HOME%\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar和class等。另外需要注意的是可以通過啟動jvm時指定-Xbootclasspath和路徑來改變Bootstrap ClassLoader的載入目錄。比如java -Xbootclasspath/a:path被指定的檔案追加到預設的bootstrap路徑中。我們可以開啟我的電腦，在上面的目錄下檢視，看看這些jar包是不是存在於這個目錄。 
- Extention ClassLoader 擴充套件的類載入器，載入目錄%JRE_HOME%\lib\ext目錄下的jar包和class檔案。還可以載入-D java.ext.dirs選項指定的目錄。 
- Appclass Loader也稱為SystemAppClass 載入當前應用的classpath的所有類。

我們上面簡單介紹了3個ClassLoader。說明了它們載入的路徑。並且還提到了-Xbootclasspath和-D java.ext.dirs這兩個虛擬機器引數選項。

載入順序？

我們看到了系統的3個類載入器，但我們可能不知道具體哪個先行呢？ 
我可以先告訴你答案 
1. Bootstrap CLassloder 
2. Extention ClassLoader 
3. AppClassLoader

為了更好的理解，我們可以檢視原始碼。 
看sun.misc.Launcher,它是一個java虛擬機器的入口應用。

public class Launcher {
    private static Launcher launcher = new Launcher();
    private static String bootClassPath =
        System.getProperty("sun.boot.class.path");

    public static Launcher getLauncher() {
        return launcher;
    }

    private ClassLoader loader;

    public Launcher() {
        // Create the extension class loader
        ClassLoader extcl;
        try {
            extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create extension class loader", e);
        }

        // Now create the class loader to use to launch the application
        try {
            loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create application class loader", e);
        }

        //設定AppClassLoader為執行緒上下文類載入器，這個文章後面部分講解
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
    }

    /*
     * Returns the class loader used to launch the main application.
     */
    public ClassLoader getClassLoader() {
        return loader;
    }
    /*
     * The class loader used for loading installed extensions.
     */
    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {}

/**
     * The class loader used for loading from java.class.path.
     * runs in a restricted security context.
     */
    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {}
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原始碼有精簡，我們可以得到相關的資訊。 
1. Launcher初始化了ExtClassLoader和AppClassLoader。 
2. Launcher中並沒有看見BootstrapClassLoader，但通過System.getProperty("sun.boot.class.path")得到了字串bootClassPath,這個應該就是BootstrapClassLoader載入的jar包路徑。

我們可以先程式碼測試一下sun.boot.class.path是什麼內容。

System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));
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得到的結果是：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\resources.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\rt.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\sunrsasign.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jsse.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jce.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\charsets.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jfr.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\classes
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可以看到，這些全是JRE目錄下的jar包或者是class檔案。

ExtClassLoader原始碼

如果你有足夠的好奇心，你應該會對它的原始碼感興趣

/*
     * The class loader used for loading installed extensions.
     */
    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {

        static {
            ClassLoader.registerAsParallelCapable();
        }

        /**
         * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created
         * within a context that limits which files it can read
         */
        public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException
        {
            final File[] dirs = getExtDirs();

            try {
                // Prior implementations of this doPrivileged() block supplied
                // aa synthesized ACC via a call to the private method
                // ExtClassLoader.getContext().

                return AccessController.doPrivileged(
                    new PrivilegedExceptionAction<ExtClassLoader>() {
                        public ExtClassLoader run() throws IOException {
                            int len = dirs.length;
                            for (int i = 0; i < len; i++) {
                                MetaIndex.registerDirectory(dirs[i]);
                            }
                            return new ExtClassLoader(dirs);
                        }
                    });
            } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {
                throw (IOException) e.getException();
            }
        }

        private static File[] getExtDirs() {
            String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
            File[] dirs;
            if (s != null) {
                StringTokenizer st =
                    new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
                int count = st.countTokens();
                dirs = new File[count];
                for (int i = 0; i < count; i++) {
                    dirs[i] = new File(st.nextToken());
                }
            } else {
                dirs = new File[0];
            }
            return dirs;
        }

......
    }
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我們先前的內容有說過，可以指定-D java.ext.dirs引數來新增和改變ExtClassLoader的載入路徑。這裡我們通過可以編寫測試程式碼。


            
  

           

              
              

            

            
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