java classloader

当JVM（Java虚拟机）启动时，会形成由三个类加载器组成的初始类加载器层次结构：

       bootstrap classloader
                |
       extension classloader
                |
       system classloader

 

 

Java类的加载

Java类的加载是由类加载器来完成的。一般来说，类加载器分成两类：启动类加载器（bootstrap）和用户自定义的类加载器（user-defined）。两者的区别在于启动类加载器是由JVM的原生代码实现的，而用户自定义的类加载器都继承自Java中的java.lang.ClassLoader类。在用户自定义类加载器的部分，一般JVM都会提供一些基本实现。应用程序的开发人员也可以根据需要编写自己的类加载器。JVM中最常使用的是系统类加载器（system），它用来启动Java应用程序的加载。通过java.lang.ClassLoader的getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器对象。

类加载器需要完成的最终功能是定义一个Java类，即把Java字节代码转换成JVM中的java.lang.Class类的对象。但是类加载的过程并不是这么简单。Java类加载器有两个比较重要的特征：层次组织结构和代理模式。层次组织结构指的是每个类加载器都有一个父类加载器，通过getParent()方法可以获取到。类加载器通过这种父亲-后代的方式组织在一起，形成树状层次结构。代理模式则指的是一个类加载器既可以自己完成Java类的定义工作，也可以代理给其它的类加载器来完成。由于代理模式的存在，启动一个类的加载过程的类加载器和最终定义这个类的类加载器可能并不是一个。前者称为初始类加载器，而后者称为定义类加载器。两者的关联在于：一个Java类的定义类加载器是该类所导入的其它Java类的初始类加载器。比如类A通过import导入了类 B，那么由类A的定义类加载器负责启动类B的加载过程。

一般的类加载器在尝试自己去加载某个Java类之前，会首先代理给其父类加载器。当父类加载器找不到的时候，才会尝试自己加载。这个逻辑是封装在java.lang.ClassLoader类的loadClass()方法中的。一般来说，父类优先的策略就足够好了。在某些情况下，可能需要采取相反的策略，即先尝试自己加载，找不到的时候再代理给父类加载器。这种做法在Java的Web容器中比较常见，也是Servlet规范推荐的做法。比如，Apache Tomcat为每个Web应用都提供一个独立的类加载器，使用的就是自己优先加载的策略。IBM WebSphere Application Server则允许Web应用选择类加载器使用的策略。

类加载器的一个重要用途是在JVM中为相同名称的Java类创建隔离空间。在JVM中，判断两个类是否相同，不仅是根据该类的二进制名称，还需要根据两个类的定义类加载器。只有两者完全一样，才认为两个类的是相同的。因此，即便是同样的Java字节代码，被两个不同的类加载器定义之后，所得到的Java类也是不同的。如果试图在两个类的对象之间进行赋值操作，会抛出java.lang.ClassCastException。这个特性为同样名称的Java类在JVM中共存创造了条件。在实际的应用中，可能会要求同一名称的Java类的不同版本在JVM中可以同时存在。通过类加载器就可以满足这种需求。这种技术在OSGi中得到了广泛的应用。

 

代理模式是为了保证 Java 核心库的类型安全。所有 Java 应用都至少需要引用 java.lang.Object 类，也就是说在运行的时候，java.lang.Object 这个类需要被加载到 Java 虚拟机中。如果这个加载过程由 Java 应用自己的类加载器来完成的话，很可能就存在多个版本的 java.lang.Object 类，而且这些类之间是不兼容的。通过代理模式，对于 Java 核心库的类的加载工作由引导类加载器来统一完成，保证了 Java 应用所使用的都是同一个版本的 Java 核心库的类，是互相兼容的。

不同的类加载器为相同名称的类创建了额外的名称空间。相同名称的类可以并存在 Java 虚拟机中，只需要用不同的类加载器来加载它们即可。不同类加载器加载的类之间是不兼容的，这就相当于在 Java 虚拟机内部创建了一个个相互隔离的 Java 类空间。这种技术在许多框架中都被用到，后面会详细介绍。

 

类加载器与 Web 容器

对于运行在 Java EE™ 容器中的 Web 应用来说，类加载器的实现方式与一般的 Java 应用有所不同。不同的 Web 容器的实现方式也会有所不同。以 Apache Tomcat 来说，每个 Web 应用都有一个对应的类加载器实例。该类加载器也使用代理模式，所不同的是它是首先尝试去加载某个类，如果找不到再代理给父类加载器。这与一般类加载器的顺序是相反的。这是 Java Servlet 规范中的推荐做法，其目的是使得 Web 应用自己的类的优先级高于 Web 容器提供的类。这种代理模式的一个例外是：Java 核心库的类是不在查找范围之内的。这也是为了保证 Java 核心库的类型安全。

绝大多数情况下，Web 应用的开发人员不需要考虑与类加载器相关的细节。下面给出几条简单的原则：

• 每个 Web 应用自己的 Java 类文件和使用的库的 jar 包，分别放在 WEB-INF/classes 和 WEB-INF/lib 目录下面。
• 多个应用共享的 Java 类文件和 jar 包，分别放在 Web 容器指定的由所有 Web 应用共享的目录下面。
• 当出现找不到类的错误时，检查当前类的类加载器和当前线程的上下文类加载器是否正确。