類加載器

2020 年 7 月 16 日
筆記

類加載器可以加載類，這些類被HotSpot加載後，都以Klass對象表示。涉及到的主要的類加載器有啟動類加載器/引導類加載器（Bootstrap ClassLoader）、擴展類加載器（Extension ClassLoader）和應用類加載器/系統類加載器（Application ClassLoader）。

1、引導類加載器/啟動類加載器

引導類加載器由ClassLoader類實現，這個ClassLoader類是用C++語言來實現的，它負責將 <JAVA_HOME>/lib目錄、 -Xbootclasspath選項指定的目錄或系統屬性sun.boot.class.path指定的目錄下的核心類庫加載到內存中。

用C++語言定義的類加載器及重要的函數如下：

class ClassLoader::AllStatic {
private:
 ...
     // 加載類
     static instanceKlassHandle load_classfile(Symbol* h_name,TRAPS);
     // 設置加載路徑
     static void setup_bootstrap_search_path();

    public:
     // 初始化類加載器
     static void initialize();
    ...
}

load_classfile()方法可以根據類名加載類，具體實現如下：

源代碼位置：openjdk/hotspot/src/share/vm/classfile/classLoader.cpp
instanceKlassHandle ClassLoader::load_classfile(Symbol* h_name, TRAPS) {
  // 獲取類名
  const char* class_name = h_name->as_C_string();
  ....
 
  stringStream st;
  st.print_raw(h_name->as_utf8());
  st.print_raw(".class");
  // 獲取文件名
  const char* file_name = st.as_string();
  ClassLoaderExt::Context context(class_name, file_name, THREAD);
 
  // ClassFileStream表示Class文件的位元組流
  ClassFileStream* stream = NULL;
  int classpath_index = 0;
  ClassPathEntry* e = NULL;
  instanceKlassHandle h;
  {
    //從第一個ClassPathEntry開始遍歷所有的ClassPathEntry
    e = _first_entry;
    while (e != NULL) {
      stream = e->open_stream(file_name, CHECK_NULL);
      // 如果檢查返回false則返回null，check方法默認返回true
      if (!context.check(stream, classpath_index)) {
        return h; // NULL
      }
      // 如果找到目標文件則跳出循環
      if (stream != NULL) {
        break;
      }
      e = e->next();
      ++classpath_index;
    }
  }
  //如果找到了目標class文件
  if (stream != NULL) {
    // 構建一個ClassFileParser實例
    ClassFileParser parser(stream);
    // 構建一個ClassLoaderData實例
    ClassLoaderData* loader_data = ClassLoaderData::the_null_class_loader_data();
    Handle protection_domain;
    TempNewSymbol parsed_name = NULL;
    // 解析並加載class文件，注意此時並未開始鏈接
    instanceKlassHandle result = parser.parseClassFile(h_name,
                                                       loader_data,
                                                       protection_domain,
                                                       parsed_name,
                                                       context.should_verify(classpath_index),
                                                       THREAD);
    ...
    // 調用ClassLoader的add_package方法，把當前類的包名加入到_package_hash_table中
    h = context.record_result(classpath_index, e, result, THREAD);
  } 
  ...
  return h;
}

parseClassFile()方法就是解析Class文件中的類、字段、常量池等信息，然後轉換為C++內部的對等表示，如類元信息存儲在InstanceKlass實例中，常量池信息存儲在ConstantPool中，部分的C++對等實現（類模型）在之前已經介紹過，這裡不再介紹。後續會詳細介紹parseClassFile()方法解析Class文件的過程。

2、擴展類加載器

擴展類加載器由ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）實現，負責將 <JAVA_HOME >/lib/ext目錄或者由系統變量-Djava.ext.dir所指定的目錄中的類庫加載到內存中。

用Java語言編寫的擴展類加載器的實現如下：

源代碼位置：
static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
 
    /**
     * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created
     * within a context that limits which files it can read
     */
    public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException
    {
        final File[] dirs = getExtDirs(); // 獲取要加載類的加載路徑
 
        ...
        return new ExtClassLoader(dirs); // 實例化擴展類加載器
        ...
    }
 
    /*
     * Creates a new ExtClassLoader for the specified directories.
     */
    public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
        super(getExtURLs(dirs), null, factory); // parent傳遞的參數為null，所以並不是引導類加載器
    }
 
    private static File[] getExtDirs() {
        String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
        File[] dirs;
        if (s != null) {
            StringTokenizer st = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
            int count = st.countTokens();
            dirs = new File[count];
            for (int i = 0; i < count; i++) {
                dirs[i] = new File(st.nextToken());
            }
        } else {
            dirs = new File[0];
        }
        return dirs;
    } 
    ...
}

ExtClassLoader類的構造函數中在調用父類的構造函數時，傳遞的第2個參數的值為null，這個值最終會賦值給parent字段，所以後面將會講到，當這個字段的值為null時，ClassLoader類中實現的loadClass()方法會調用findBootstrapClassOrNull()方法加載類，最終會調用C++實現的ClassLoader類的相關方法。

3、系統類加載器/應用類加載器

系統類加載器由AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）實現，負責將由系統環境變量-classpath、-cp或系統屬性java.class.path指定的路徑下的類庫加載到內存中。

用Java語言編寫的擴展類加載器的實現如下：

源代碼位置：
static class AppClassLoader extends URLClassLoader {
 
        public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader extcl)throws IOException {
            final String s = System.getProperty("java.class.path");
            final File[] path = (s == null) ? new File[0] : getClassPath(s);
 
            ...
            return new AppClassLoader(urls, extcl);
        }
 
        /*
         * Creates a new AppClassLoader
         */
        AppClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent) {
            super(urls, parent, factory); // parent參數是一個擴展類加載器實例
        }
 
        /**
         * Override loadClass so we can checkPackageAccess.
         */
        public Class loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException{
            ...
            return (super.loadClass(name, resolve));
        }
        
        ...
}

在Launcher類的構造函數中實例化系統類加載器時，會調用getAppClassLoader()方法獲取系統類加載器，傳入的參數是一個擴展類加載器實例，這樣系統類加載器的父加載器就變成了擴展類加載器。用戶自定義的無參加載器的父類加載器默認就是AppClassloader加載器。

4、構造類加載器實例

HotSpot在啟動過程中會在rt.jar包裏面的sun.misc.Launcher類中完成擴展類加載器和系統類加載器的實例化，也會進行引導類加載器的初始化，也就是調用C++語言編寫的ClassLoader類的initialize()方法。

HotSpot在初始化時，會初始化一個重要的變量，定義如下：

源代碼位置：hotspot/src/share/vm/classfile/systemDictionary.cpp

oop  SystemDictionary::_java_system_loader  =  NULL;

這個屬性保存系統類加載器實例，HotSpot在加載主類時會使用這個類加載器加載主類。屬性在compute_java_system_loader()方法中初始化，調用鏈路如下：

JavaMain()                                      java.c	
InitializeJVM()                                 java.c
JNI_CreateJavaVM()                              jni.cpp	
Threads::create_vm()                            thread.cpp
SystemDictionary::compute_java_system_loader()  systemDictionary.cpp

方法的實現如下：

void SystemDictionary::compute_java_system_loader(TRAPS) {
  KlassHandle system_klass(THREAD, WK_KLASS(ClassLoader_klass));
  JavaValue result(T_OBJECT);
  // 調用java.lang.ClassLoader類的getSystemClassLoader()方法
  JavaCalls::call_static(&result, // 調用Java靜態方法的返回值存儲在result中
                         KlassHandle(THREAD, WK_KLASS(ClassLoader_klass)), // 調用的目標類為java.lang.ClassLoader
                         vmSymbols::getSystemClassLoader_name(), // 調用目標類中的目標方法為getSystemClassLoader
                         vmSymbols::void_classloader_signature(), // 調用目標方法的方法簽名
                         CHECK);
  // 獲取調用getSystemClassLoader()方法的結果並保存到_java_system_loader屬性中
  _java_system_loader = (oop)result.get_jobject();  // 初始化屬性為系統類加載器/應用類加載器/AppClassLoader
}

通過JavaClass::call_static()方法調用java.lang.ClassLoader類的getSystemClassLoader()方法。JavaClass::call_static()方法非常重要，它是HotSpot調用Java靜態方法的API，後面傳經詳細介紹。

下面看一下getSystemClassLoader()方法的實現，如下：　

public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
        initSystemClassLoader();
        if (scl == null) {
            return null;
        }
        return scl;
}
 
private static synchronized void initSystemClassLoader() {
        if (!sclSet) {
            sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher(); // 獲取Launcher實例
            if (l != null) {
                scl = l.getClassLoader();
                // ...               
            }
            sclSet = true;
        }
}

調用Launcerh.getLauncher()方法獲取Launcher實例，實例通過靜態變量launcher來保存，靜態變量的定義如下：

private static Launcher launcher = new Launcher();

調用l.getClassLoader()方法獲取類加載器實例，如下：

public ClassLoader getClassLoader() {
        return loader; // 返回的loader就是Launcher類的loader，也就是系統類加載器AppClassLoader
}

Launcher()類的構造函數如下：

public Launcher() {
        // Create the extension class loader
        ClassLoader extcl;
        try { 
            // 首先創建了擴展類加載器
            extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError("Could not create extension class loader", e);
        }
 
        // Now create the class loader to use to launch the application
        try { 
            // 以ExtClassloader作為父加載器創建了AppClassLoader
            loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError("Could not create application class loader", e);
        }
 
        // Also set the context class loader for the primordial thread. 
        // 默認線程上下文加載器為AppClassloader
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader); 
}

可以看到有對ExtClassLoader與AppClassLoader實例創建的邏輯，這樣HotSpot就可以通過_java_system_loader屬性獲取AppClassLoader實例，通過AppClassLoader實例中的parent屬性使用ExtClassLoader。　

相關文章的鏈接如下：

1、在Ubuntu 16.04上編譯OpenJDK8的源代碼

3、HotSpot項目結構　