java類載入器——ClassLoader

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Java的設計初衷是主要面向嵌入式領域，對於自訂的一些類，考慮使用依需求載入原則，即在程式使用到時才載入類，節省記憶體消耗，這時即可通過類載入器來動態載入。

如果你平時只是做web開發，那應該很少會跟類載入器打交道，但如果你想深入學習tomcat伺服器的架構，它是必不可少的。所謂類載入器，就是用於載入Java類到Java虛擬機器中，它負責讀取Java位元組碼，並轉換成java.lang.Class類的一個執行個體，使位元組代碼.class檔案得以運行。一般類載入器負責根據一個指定的類找到對應的位元組代碼，然後根據這些代碼定義成一個Java類，另外還負責載入資源，包括影像檔和設定檔。

類載入器在實際使用中給我們帶來的好處是，它可以使Java類動態地載入到JVM並運行，即可在程式運行時再載入類，提供了很靈活的動態載入方式。例如我們熟悉的Applet，從遠程伺服器下載位元組碼到用戶端動態載入到JVM便可以運行。

在Java的龐大體系中，可以將系統分為三種類載入器，分別是：

①   啟動類載入器（Bootstrap ClassLoader）：載入對象是Java核心庫，把一些關鍵的Java類載入進JVM，這個載入器使用原生代碼（C/C++）實現的，並不是繼承java.lang.ClassLoader，它是所有其他類載入器的最終父載入器，負責載入<JAVA_HOME>/jre/lib目錄下且被JVM指定的類庫，其實它屬於JVM整體的一部分，JVM一啟動就將這些指定的類載入到記憶體中，避免以後過多的I/O操作，提高系統的運行效率。啟動類載入器無法被Java程式直接使用。

②   擴充類載入器（Extension ClassLoader）：載入的對象為Java的擴充庫，即載入<JAVA_HOME>/jre/lib/ext目錄裡面的類。這個類由上面的Bootstrap ClassLoader載入，但由於Bootstrap ClassLoader並非用Java實現，已經脫離了Java體系，所以如果嘗試調用擴充類載入器的getParent()方法擷取父載入器會得到null，但它的父類載入器是Bootstrap ClassLoader。Java中可以直接使用擴充類載入器。

③   應用程式類載入器（Application  ClassLoader）：亦叫系統類別載入器（System ClassLoader），它負責載入使用者類路徑（CLASSPATH）指定的類庫，如果程式沒有自己定義類載入器，就預設使用應用程式類載入器。它也由Bootstrap ClassLoader載入，但它的父載入類被設定成了Extension ClassLoader。如果要使用這個載入器，可通過ClassLoader.getSystemClassLoader()擷取。

假如有一天你心血來潮也想自己寫一個類載入器，那麼你只需要繼承java.lang.ClassLoader類即可。於是可以用下面的圖2-4-1來清晰表示出各種類載入器的關係，Bootstrap ClassLoader是最根本的類載入器，其不存在父類載入器，Extension ClassLoader由Bootstrap ClassLoader載入，所以它的父類載入器是Bootstrap ClassLoader，Application ClassLoader也是由Bootstrap ClassLoader載入，但它的父載入器被指向了Extension ClassLoader，而其他所有使用者自訂的類載入器都由Application ClassLoader載入。

由此可以看出越重要的類載入器就越早被JVM載入，這是考慮到安全性，因為先載入的類載入器會充當下一個類載入器的父載入器，在雙親委派模型機制下，就能確保安全性。

那麼什麼是雙親委派模型？比如爺爺、爸爸、你三代單傳，你們家族都遺傳懶惰基因，每當遇到事情都互相推脫，現在需要一個人去買一包鹽，不然今晚的菜就有色無味了，而你第一個被委託去超市買，但由於你的懶惰，你向你爸爸撒了一頓嬌，你爸爸受不了你只能答應幫你去，在懶惰的驅使下，你爸爸最後找了一個借口說要趕工作，讓你爺爺出去走動走動順便買一包鹽，就這樣你爺爺只能乖乖去超市買鹽。雙親委派模型就類似這樣的機制，類載入器載入類時首先委託給父類載入器載入，除非父類載入器不能載入才自己載入。

這種模型要求除了頂層的啟動類載入器外，其他的類載入器都要有自己的父類載入器。假如有一個類要載入進來，一個類載入器並不會馬上嘗試自己將其載入，而是委派到父類載入器，父類載入器收到後又嘗試委派到其父類載入器，以此類推，直到委派到啟動類載入器，這樣一層一層往上委派。只有當父類載入器反饋自己沒法完成這個載入時，子載入器才會嘗試自己載入。通過這個機制，保證了Java應用所使用的都是同一個版本的Java核心庫的類。同時這個機制也保證了安全性，設想如果Application ClassLoader想要載入一個有破壞性的java.lang.System類，雙親委派模型會一層層向上委派，最終委派給Bootstrap ClassLoader，而Bootstrap ClassLoader檢查到緩衝中已經有了這個類，並不會再載入這個有破壞性的System類。

另外，類載入器還擁有全盤負責機制，即當一個ClassLoader載入一個類時，這個類所依賴的、引用的其他所有類都由這個ClassLoader載入，除非在程式中顯性地指定另外一個ClassLoader載入。

圖2-4-1 類載入器關係

 

在Java中，我們用完全符合類名來標識一個類，即用包名和類名。而在JVM中，一個類由完全符合類名和一個類載入器的執行個體ID作為唯一標識。即是說同一個虛擬機器可以有兩個包名、類名都相同的類，只要他們由兩個不同類載入器載入。於是當我們在Java中經常說兩個類相不相等，必須是針對同一個類載入器載入的前提下才有意義，否則就算是同樣的位元組代碼，由不同類載入器載入，這兩個類也不是相等的。這種特徵為我們提供了隔離機制，在tomcat伺服器中是十分有用的。

瞭解了JVM的類載入器的各種機制後，看看一個類是怎樣被類載入器載入進來的。一個類準備載入，類載入器先判斷此類是否已經被載入過（載入過的類會被緩衝在記憶體中），如果緩衝中存在此類則直接返回這個類。否則擷取父類載入器，如果父類載入器為null，則由Bootstrap ClassLoader載入並返回Class。如果父類載入器不為null，則由父類載入器載入，載入成功就返回Class，載入失敗則根據類路徑尋找class檔案，找到就載入此class並返回Class，找不到就拋出ClassNotFoundException異常。

圖2-4-2 類載入過程

類載入器屬於JVM層級的設計，我們很多時候基本不會跟他打交道，但是假如你想瞭解整個JAVA體系是如何工作的，假如你要設計開發自己的架構或中介軟體或一個較龐大的java軟體，那麼你必須熟悉類載入器的相關機制，在現實的設計中，根據實際情況利用類載入器可以提供類庫的隔離及共用，保證你的軟體不同層級的邏輯分割程式不會互相影響，提供更好的安全性。