JDK源碼解析之ClassLoader

ID:107189 · 發表于 2016-3-5 18:00

程序編制一般需經編輯、編譯、連接、加載和運行幾個步驟。在我們的應用中，有一些公共代碼是需要反復使用，就把這些代碼編譯為“庫”文件；在連接步驟中，連接器將從庫文件取得所需的代碼，復制到生成的可執行文件中。這種庫稱為靜態庫，其特點是可執行文件中包含了庫代碼的一份完整拷貝；缺點就是被多次使用就會有多份冗余拷貝。

為了克服這個缺點可以采用動態連接庫。這個時候連接器僅僅是在可執行文件中打上標志，說明需要使用哪些動態連接庫；當運行程序時，加載器根據這些標志把所需的動態連接庫加載到內存。

另外在當前的編程環境中，一般都提供方法讓程序在運行的時候把某個特定的動態連接庫加載并運行，也可以將其卸載（例如Win32的LoadLibrary()&FreeLibrary()和Posix的dlopen()&dlclose()）。這個功能被廣泛地用于在程序運行時刻更新某些功能模塊或者是程序外觀。

What is ClassLoader?

與普通程序不同的是，Java程序（class文件）并不是本地的可執行程序。當運行Java程序時，首先運行JVM（Java虛擬機），然后再把Java class加載到JVM里頭運行，負責加載Java class的這部分就叫做Class Loader。

JVM本身包含了一個ClassLoader稱為Bootstrap ClassLoader，和JVM一樣，Bootstrap ClassLoader是用本地代碼實現的，它負責加載核心Java Class（即所有java.*開頭的類）。另外JVM還會提供兩個ClassLoader，它們都是用Java語言編寫的，由Bootstrap ClassLoader加載；其中Extension ClassLoader負責加載擴展的Java class（例如所有javax.*開頭的類和存放在JRE的ext目錄下的類），Application ClassLoader負責加載應用程序自身的類。

When to load the class?

什么時候JVM會使用ClassLoader加載一個類呢？當你使用java去執行一個類，JVM使用Application ClassLoader加載這個類；然后如果類A引用了類B，不管是直接引用還是用Class.forName()引用，JVM就會找到加載類A的ClassLoader，并用這個ClassLoader來加載類B。

Why use your own ClassLoader?

似乎JVM自身的ClassLoader已經足夠了，為什么我們還需要創建自己的ClassLoader呢？

因為JVM自帶的ClassLoader只是懂得從本地文件系統加載標準的java class文件，如果編寫你自己的ClassLoader，你可以做到：
1）在執行非置信代碼之前，自動驗證數字簽名
2）動態地創建符合用戶特定需要的定制化構建類
3）從特定的場所取得java class，例如數據庫中
4) 等等

事實上當使用Applet的時候，就用到了特定的ClassLoader，因為這時需要從網絡上加載java class，并且要檢查相關的安全信息。

目前的應用服務器大都使用了ClassLoader技術，即使你不需要創建自己的ClassLoader，了解其原理也有助于更好地部署自己的應用。

ClassLoader Tree & Delegation Model

當你決定創建你自己的ClassLoader時，需要繼承java.lang.ClassLoader或者它的子類。在實例化每個ClassLoader對象時，需要指定一個父對象；如果沒有指定的話，系統自動指定ClassLoader.getSystemClassLoader()為父對象。如下圖：

在Java 1.2后，java class的加載采用所謂的委托模式（Delegation Modle），當調用一個ClassLoader.loadClass()加載一個類的時候，將遵循以下的步驟：
1）檢查這個類是否已經被加載進來了？
2）如果還沒有加載，調用父對象加載該類
3）如果父對象無法加載，調用本對象的findClass()取得這個類。

所以當創建自己的Class Loader時，只需要重載findClass()這個方法。

Unloading? Reloading?

當一個java class被加載到JVM之后，它有沒有可能被卸載呢？我們知道Win32有FreeLibrary()函數，Posix有dlclose()函數可以被調用來卸載指定的動態連接庫，但是Java并沒有提供一個UnloadClass()的方法來卸載指定的類。

在Java中，java class的卸載僅僅是一種對系統的優化，有助于減少應用對內存的占用。既然是一種優化方法，那么就完全是JVM自行決定如何實現，對Java開發人員來說是完全透明的。

在什么時候一個java class/interface會被卸載呢？Sun公司的原話是這么說的："class or interface may be unloaded if and only if its class loader is unreachable. Classes loaded by the bootstrap loader may not be unloaded."

事實上我們關心的不是如何卸載類的，我們關心的是如何更新已經被加載了的類從而更新應用的功能。JSP則是一個非常典型的例子，如果一個JSP文件被更改了，應用服務器則需要把更改后的JSP重新編譯，然后加載新生成的類來響應后繼的請求。

其實一個已經加載的類是無法被更新的，如果你試圖用同一個ClassLoader再次加載同一個類，就會得到異常（java.lang.LinkageError: duplicate class definition），我們只能夠重新創建一個新的ClassLoader實例來再次加載新類。至于原來已經加載的類，開發人員不必去管它，因為它可能還有實例正在被使用，只要相關的實例都被內存回收了，那么JVM就會在適當的時候把不會再使用的類卸載。

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