ClassLoader, JavaAgent, Aspectj Weaving一站式扫盲帖

原文：http://calvin1978.blogcn.com/articles/classloader-javaagent.html

最近工作里复习的Class Loader基础知识集锦，写下来希望对别人有帮助，而且不止是为了撂倒面试官。

为了尽量简单明了容易背，有些部分写得比较干。

0. 参考资料：

• 书：《深入了解Java虚拟机》、《实战Java虚拟机》
• 规范：Java语言规范第12章
• 源码：OpenJDK 7的Java及C代码(Class.c,Classloader.c，jvm.cpp)

1. Class装载的三个阶段

1.1 载入 (Load)

从Class文件或别的什么地方载入一段二进制流字节流，把它解释成永久代里的运行时数据结构，生成一个Class对象。
同时也会装载它的父类或父接口，并进行校验，比如编译版本不对会抛出UnsupportedClassError，依赖定义不对会抛 IncompatibleClassChangeError/ClassCircularityError等。

1.2 链接 (Resolve)

将之前载入的数据结构里的符号引用表，解析成直接引用。
中间如果遇到引用的类还没被加载，就会触发该类的加载。
可能JDK会很懒惰的在运行某个函数实际使用到该引用时才发生链接，也可能在类加载时就解析全部引用。

1.3 初始化 (Initniazle)

初始化静态变量，并执行静态初始化语句。

2. Class装载的时机

1. ClassLoader.loadClass()
2. 前文所说的链接时触发的装载
3. Class.forName() 等java.lang.reflect反射包
4. new 构造对象
5. 初始化子类时，会同时初始化父类
6. 访问类的静态变量或静态方法(但static final的常量除外，此君在常量池里)

本质上，也是很懒惰的按需加载的，由于类装载的Lazy和前面解释引用的Lazy，所以Jar包里有时候有些类用到的了没在Class Path里的其他类，也能人品爆发的照跑不误。

除了时机1，其他几种方式默认都到达类装载的初始化阶段。

3. ClassLoader.loadClass() 与 Class.forName()

ClassLoader.loadClass(String name, boolean resolve)，其中resolve默认为false，即只执行类装载的第一个阶段。

Class.forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader)， 其中initialize默认为true，即执行到类装载的第三个阶段。

4. ClassNotFoundException 和 NoClassDefFoundError

ClassLoader.loadClass() 与 Class.forName() 找不到类定义的二进制流时抛出ClassNotFoundException。

链接阶段解释引用失败，找不到引用的类时抛出NoClassDefFoundError。

其他常见错误包括编译版本不对的

5. ClassLoader及双亲委派机制

ClassLoader.loadClass()的标准流程:

1. findLoadedClass() 查看类是否已加载
2. 如果不存在，则调用parent loader的loadClass()
3. 如果不存在，调用findClass() 在本ClassLoader的ClassPath里加载该类

所谓双亲委派机制，就是先从parent loader开始查找，找不到了才用自己的findClass()函数去查找，兼顾了效率：避免重复加载，当父亲已经加载了该类的时候，就没有必要子ClassLoader再加载一次，和安全：避免子类乱加载。

而OSGI或SPI或热替换方案，则需要破坏这个双亲委托，先调用自己的findClass()。

findClass() 是各个ClassLoader各自实现，各显神通的地方，从各种奇葩地方载入Class二进制字节流。

但最后都会调用defineClass()，传入二进制字节流，返回Class对象。留意此处，呆会AspectJ的时候会回到这里。

在JDK6，loadClass()很过分的定义了方法级的synchronized ，在JDK7改成一个以Class Name作Key的 parallelLockMap，增强了并行加载不同Class的能力。

6. System ClassLoader 与 Thread Context Classloader

有时候，看到错误日志说张三不是张三，包名类名一样但instanceof 死活返回 false，唯一原因是它们由两个不同的ClassLoader加载。

默认的Bootstrap(加载jdk的lib目录)，Extension(加载jdk的lib/ext目录)，Application(加载启动时定义的classpath)三层ClassLoader机制不再重复。

平时用ClassLoader.getSystemClassLoader()就可以得到sun.misc.Launcher$ApplicationClassLoader 这个Application ClassLoader。

在类A里加载类B，默认使用加载了类A的Loader。但，也有特殊情况，比如JDBC加载driver时的机制，需要在Bootstrap ClassLoader（JDBC属于JDK一部分）里根据配置反射创建jdbc driver的数据实现类，此时Bootstrap Classloader并没有某个jdbc driver实现类的包(在Application Classloaer中)，因此Sun设计了一个特殊方案 －－Thread Context Class Loader。

JAXB(也是JDK一部分，比如要在Jar包里找xsd schema文件的时候)也使用了它，所以用到它们时就要注意Thread Context ClassLoader的设置，将Application Classloader设进去。可以用代码随时设置current thread的loader，也可以用自定义的ThreadFactory在创建线程时设置，它默认是父线程的loader，如果都没设置就是 System ClassLoader这个Application ClassLoader。

7. Java Agent机制与AspectJ的LoadTime Weaving

在JDK5开始，在启动JVM时可增加-javaagent参数，在装载Class时对类进行动态的修改。

AspectJ的Load Time Weaving机制，需要配置 -javaagent: [path to aspectj-weaver.jar] 。

打开aspectj-weaver.jar，可以看到META-INF/MANIFEST里定义了 Premain-Class: org.aspectj.weaver.loadtime.Agent

再打开这个Agent类，简化后的代码大概这个样子：

ClassFileTransformer s_transformer = new ClassPreProcessorAgentAdapter();

public static void premain(String options, Instrumentation instrumentation) {

instrumentation.addTransformer(s_transformer);

}

可见它的主要作用是将自己的类转换器注册到JDK所传入的Instrumentation。

再看类转换器的定义：ClassLoader会在前面defineClass()的过程中，在把二进制字节流转换为Class对象之前，先把二进制流和当前ClassLoader传给转换器，由转换器加工为另一段二进制字节流返回。

AspectJ就是利用传入的ClassLoader，找出其Class Path里的META-INF/aop.xml，然后根据aop.xml里的配置进行代码植入。

测试显示，加了LoadTime Weaving，类加载的速度明显变慢，如果是100ms就调用超时的服务，需要做类的预加载。

8. Jar包的预加载

比如有个有趣的需求是加载某个Class A所在的Jar里的全部的Class （怎么好像一点都不有趣）

URL jarUrl = ClassA.getProtectionDomain().getCodeSource().getLocation();
JarFile jarfile = new JarFile(jarUrl.getPath());
Enumeration entries = jarfile.entries();

然后遍历JarEntry，过滤出后缀为.class的文件，按类名进行装载就可以了。

9.Class的二进制兼容性

如果Class A 依赖 spring-1.0.jar编译，当spring升级到spring-2.0.jar，Class A不需要修改代码也不需要重新编译，可以直接运行的，spring-2.0.jar就满足二进制兼容性。

在Java语言规范的第13章有详细的描述 ，不想直接睡着最好可以找个中文版来看，感谢那些翻译的同学。

虽然规范的这章看着比较长比较吓人，但其实二进制兼容性还是很容易做到的，只要你不做把接口改为抽象类之类或反过来这类奇怪的事情，其他一些看起来很大的改动，比如改throws定义，其实都没有问题。

真的遇到问题，设身处地想想自己是那段Class A的字节码，现在还能不能跑就行。

感谢你看到这里，希望你只在工作里用到这些知识，祝工作愉快。

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