Java JVM学习-类加载器

类加载器的分类

JVM 支持两种类型的类加载器。分别为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）。

引导类加载器只用来加载核心类库（String、Integer、Long 等）

从概念上来讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器，但是 Java 虚拟机规范却没有这么定义，而是将所有继承于抽象类 ClassLoader 的类加载器都划分为自定义类加载器。

无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器始终只有3个，如下所示：

这里的四者之间是 包含关系，不是上层和下层，也不是子系统的继承关系。如下代码所示

public class Temp {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader); // sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        // 获取系统类加载器上层加载器：拓展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader); // sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b6d3586

        // 获取拓展类加载器上层加载器：
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader); // null 获取不到引导类加载器

        // 用户自定义类的加载器：默认系统类加载器进行加载
        ClassLoader classLoader = Temp.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader); // sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        // String 类使用的是引导类加载器 --> Java的核心类库都是使用引导类加载器加载的
        ClassLoader stringClassLoader = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(stringClassLoader); // null 获取不到引导类加载器
    }
}

启动类加载器

这个类加载使用 C/C++ 语言实现的，嵌套在 JVM 内部。
它用来加载 Java 的核心库（JAVAHOME/jre/1ib/rt.jar、resources.jar 或 sun.boot.class.path 路径下的内容），用于提供 JVM 自身需要的类（String 之类的就在 rt.jar 这个包下）
并不继承自 java.lang.ClassLoader，没有父加载器（C++ 写的，所以..）。
加载扩展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父类加载器。
出于安全考虑 Bootstrap 启动类加载器只加载包名为 java、javax、sun 等开头的类

public class Temp {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("===============启动类加载器===============");
        // 获取 BootstrapClassLoader 能够加载的 api 的路径
        URL[] urLs = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL element: urLs) {
            System.out.println(element.toExternalForm());
        }
    }
}

输出为：

===============启动类加载器===============
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/jfr.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_241/jre/classes

扩展类加载器

Java 语言编写，由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现。
派生于 ClassLoader 类
父类加载器为启动类加载器
从 java.ext.dirs 系统属性所指定的目录中加载类库，或从 JDK 的安装目录的 jre/lib/ext 子目录（扩展目录）下加载类库。如果用户创建的 JAR 放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载。

public class Temp {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("===============扩展类加载器===============");
        String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String path : extDirs.split(";")) {
            System.out.println(path);
        }
    }
}

输出为：

===============扩展类加载器===============
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_241\jre\lib\ext
C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext

应用程序类加载器

又名：系统类加载器，AppClassLoader

Java 语言编写，由 sun.misc.LaunchersAppClassLoader 实现
派生于 ClassLoader 类
父类加载器为扩展类加载器
它负责加载环境变量 classpath 或系统属性 java.class.path 指定路径下的类库
该类加载是程序中默认的类加载器，一般来说，Java 应用的类都是由它来完成加载
通过 classLoader#getSystemclassLoader() 方法可以获取到该类加载器

用户自定义的类加载器

在 Java 的日常应用程序开发中，类的加载几乎是由上述 3 种类加载器相互配合执行的，在必要时，我们还可以自定义类加载器，来定制类的加载方式。为什么要自定义类加载器？

隔离加载类（隔离中间件，避免类名冲突）
修改类加载的方式
扩展加载源
防止源码泄漏

用户自定义类加载器实现步骤：

开发人员可以通过继承抽象类 java.lang.ClassLoader 类的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求

在 JDK1.2 之前，在自定义类加载器时，总会去继承 ClassLoader 类并重写 loadClass() 方法，从而实现自定义的类加载类，但是在 JDK1.2 之后已不再建议用户去覆盖 loadClass() 方法，而是建议把自定义的类加载逻辑写在 findclass() 方法中

在编写自定义类加载器时，如果没有太过于复杂的需求，可以直接继承 URIClassLoader 类，这样就可以避免自己去编写 findclass() 方法及其获取字节码流的方式，使自定义类加载器编写更加简洁。

ClassLoader获取和方法

ClassLoader类，它是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自ClassLoader（不包括启动类加载器）

常用方法

方法名	描述
getParent()	返回该类加载器的超类加载器
loadClass(String name)	加载名为 name 的类，返回结果为 Class 类的实例
findClass(String name)	（内部方法）查找名为 name 的类，返回结果为 Class 类的实例
findLoadedClass(String name)	（内部方法）查找名为 name 的已经被加载过的类，返回结果为 Class 类的实例
defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)	（内部方法）把字节数组 b 中的内容转换成一个 Java类，返回结果为 Class 类的实例
resolveClass(Class<?> c)	（内部方法）连接指定的一个 Java类

获取 ClassLoader 的途径

方法名	描述
自定义类.getClassLoader()	获取当前 ClassLoader
Thread.currentThread().getContextClassLoader()	获取当前线程上下文的 ClassLoader
ClassLoader.getSystemClassLoader()	获取系统的 ClassLoader（AppClassLoader）

public class Temp {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取当前 ClassLoader：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        System.out.println(Temp.class.getClassLoader());

        // 获取当前线程上下文的 ClassLoader：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getContextClassLoader());
        }).start();

        // 获取系统的 ClassLoader（AppClassLoader）：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader());
    }
}

双亲委派机制

Java 虚拟机对 class 文件采用的是 按需加载的方式，也就是说当需要使用该类时才会将它的 class 文件加载到内存生成 class 对象。而且加载某个类的 class 文件时，Java 虚拟机采用的是双亲委派模式，即把请求交由父类处理，它是一种任务委派模式。

工作原理

如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行；

如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器；

如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。

举个例子：之前在看码农翻身这书的一个例子，就是黑客写一个 java.lang.String 类，要是给 JVM 加载进去就可能有很大的风险

如下，自定义一个 java.lang 包，并在里面创建一个 String 类

class String {
  static {
    System.out.println("是否被执行了？");
  }
}

然后在启动类里面创建 String 对象

public class Temp {
    public static void main(String[] args) {
        String str = new String();
    }
}

结果并没有输出 “是否被执行了？” 说明自定义的 String 类并没有被执行，这就是双亲委派模式起了作用，因为 String 早就被 Bootstrap ClassLoader 加载进 JVM了

沙箱安全机制

自定义 String 类，但是在加载自定义 String 类的时候会率先使用引导类加载器加载，而引导类加载器在加载的过程中会先加载 JDK 自带的文件（rt.jar 包中 java\lang\String.class）。这样可以 保证对 Java 核心源代码的保护，这就是沙箱安全机制。

双亲委派机制的优势

避免类的重复加载保护程序安全，防止核心 API 被随意篡改

自定义类：java.lang.String
自定义类：java.lang.ShkStart（报错：阻止创建 java.lang 包名的类）

双亲委派机制举例

当我们加载 jdbc.jar 用于实现数据库连接的时候，首先我们需要知道的是 jdbc.jar 是基于 SPI 接口进行实现的，所以在加载的时候，会进行双亲委派，先从 Bootstrap ClassLoader 把这个 SPI 接口加载进来，然后因为这个 JDBC 的实现类是第三方的包（例如 MySQL 的驱动），所以进行反向委派，通过线程上下文类加载器取得系统类加载器去对 jdbc.jar 实现类进行加载。

如何判断两个 class 相同

在 JVM 中表示两个 class 对象是否为同一个类存在两个必要条件：

类的完整类名必须一致，包括包名。
加载这个类的 ClassLoader（指 ClassLoader 实例对象）必须相同。（双亲委派机制解决的那个问题）

换句话说，在 JVM 中，即使这两个类对象（class 对象）来源同一个 Class 文件，被同一个虚拟机所加载，但只要加载它们的 ClassLoader 实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等的。

JVM 必须知道一个类是由启动加载器加载的还是由用户类加载器加载的。如果这个类是由用户类加载器加载的，那么 JVM 会将这个类加载器的一个引用作为类信息的一部分保存在方法区中。当解析这个类到另一个类的引用的时候，JVM 需要保证这两个类的类加载器是相同的。

类加载器的分类​

启动类加载器​

扩展类加载器​

应用程序类加载器​

用户自定义的类加载器​

ClassLoader获取和方法​

双亲委派机制​

工作原理​

双亲委派机制举例​

如何判断两个 class 相同​