A3. JVM 类加载器

【概述】

　　虚拟机设计团队把类加载阶段中的 “通过一个类的全限定名来获取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 语言流行的原因之一，它最初是为了满足 Java Applet 的需求而开发出来的。虽然目前 浏览器上的 Java Applet 技术基本上已经 “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 Java 技术体系的一块重要的基石。

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【Q】：如何判断两个类是否 “相等”？

【A】：类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在 Java 程序中起的作用却远远不限于类的加载阶段。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 虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。也可以说，比较两个类是否 “相等”，只有这两个类时由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使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 关键字做对象所属关系判定等情况。如果没有注意到类加载器的影响，在某些情况下可能会产生迷惑性的结果，下面的代码展示了不同类加载器对 instanceof 关键字运算的结果的影响。

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【Q】：类加载器的分类？

【A】：从 Java 虚拟机的角度，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用 C++ 语言实现，是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都由 Java 语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。

　　从开发人员的角度来看，类加载器还可以分得更加细致一点，包括以下3种类加载器：

1). 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）: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（仅按照文件名识别，如 rt.jar）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，用户在编写自定义加载器时，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。

2).扩展类加载器（Extension ClassLoader）: 这个加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现，它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext 目录中的，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。

3).应用程序类加载器（Application ClassLoader）: 这个类加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现。由于这个类加载器是 ClassLoader 中 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（Classpath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

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【Q】：什么是双亲委派模型？

【A】：如下图所示的这种层次关系，称为类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation Model）。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的加载器都应当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现，而是都是用组合关系来复用父加载器的代码。

　　类加载器的双亲委派模型在 JDK 1.2 期间被引入并被广泛应用于之后几乎所有的 Java 程序中，但它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一种类加载实现方式。双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个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自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

　　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具备了一种带有优先级的层次关系。例如类 java.lang.Object，它存放在 rt.jar 中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶层的启动类加载器进行加载，因此 Object 类在程序的各种类加载器中都是同一个类。相反，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，如果用户自己编写了一个称为 java.lang.Object 的类，并放在程序的 Classpath 中，那系统中将会出现多个不同的 Object 类，Java 类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也会变得一片混乱。在双亲委托模型下，如果用户自己编写了一个与 rt.jar 类库中已有类重名的类，这个类可以正常编译，但无法被加载运行。

　　双亲委派模型对于保证 Java 程序的稳定运作很重要，实现代码主要集中于 java.lang.ClassLoader 的 loadClass 方法中，代码如下：

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                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;
        }
    }

　　大概逻辑：

　　1). 通过类名查询该类是否已经被加载过了，如果没有被加载过，则判断该类加载器的父加载器是否存在，存在则调用父加载器的 loadClass 方法，一层层往上传，最后传送到顶层的启动类加载器，如果父加载器无法在其类搜索路径（classPath）找到该类，则触发 ClassNotFoundException 异常，c 的值为 null，然后子类加载器就会尝试自己去加载该类。这里是双亲委派模型的主要实现逻辑，采用的是递归的思想，时间复杂度为 O(N), N 为初始加载器的深度。

　　2).方法中的第二个参数则对应类加载完成后，是否进行解析操作。

　　3).一个类的类加载过程完成后，JVM 会将该类的类信息保存到 Class 对象中，存放的内存区域为方法区，故这里看到 loadClass 方法的返回值为 Class 类型。