JVM-类加载器

1. 内容大纲

本章节示例代码：https://github.com/wicksonZhang/Java-Virtual-Machine/tree/main/01-chapter/src/main/java/cn/wickson/jvm/item04

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2. 什么是类加载器？

类加载器：主要将类的字节码加载到内存中，并且在运行时将其转换为 Java 对象的过程。

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3. 类加载器的分类

在Java中，类加载器（ClassLoader）根据其加载类的来源和加载策略的不同，可以分为以下几种主要类型：

启动类加载器（Bootstrap Class Loader）

• 启动类加载器：主要负责加载 Java 的核心类库，例如 java.lang 包中的类。
• 注意：启动类加载器是虚拟机底层（C++）实现的类，并不是 Java 类，无法再 Java 中获取对其的引用。

扩展类加载器（Extension Class Loader）

• 扩展类加载器：主要负责加载 java 的扩展类库，位于JRE 的 lib/ext 目录下的 JAR 文件中的类。
• 注意：扩展类加载器是由 Java 实现的一部分，可以通过 Java 代码获取对其的引用。

应用程序类加载器（Application Class Loader）

• 应用程序类加载器：主要负责加载应用程序的类路径（classpath）下的类，通常是应用程序的类和第三方库的类，是 sun.misc.Launcher$AppClassLoader类的实例，在JVM启动时创建。
• 注意：扩展类加载器是由 Java 实现的一部分，通常是 Java 开发者自定义类加载器的父加载器。

通过 Arthas 进行验证，通过输入 classloader 命令可以看到确实存在 Bootstrap、Extension、Application 三个类加载器。

[arthas@22540]$ classloader
 name                                                numberOfInstances  loadedCountTotal
 sun.misc.Launcher$AppClassLoader                    1                  13922
 BootstrapClassLoader                                1                  4128
 com.taobao.arthas.agent.ArthasClassloader           1                  1224
 sun.reflect.DelegatingClassLoader                   300                300
 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader                    1                  66
 javax.management.remote.rmi.NoCallStackClassLoader  2                  2
 sun.reflect.misc.MethodUtil                         1                  1
Affect(row-cnt:7) cost in 9 ms.
[arthas@22540]$

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4. 启动类加载器

启动类加载器：主要负责加载 Java 核心类库（java.lang 包中的类），默认会加载 jre/lib 下的类文件信息。启动类加载器也是优先级最高的，这样做的好处主要是保证了 Java 程序的安全性。

如下是通过 启动类加载器 加载用户 jar 包：

BootStrapClassLoader：01-chapter/BootStrapClassLoader/src/main/java/cn/wickson/classloader/BootStrapClassLoader.java

BootstrapClassLoaderDemo：01-chapter/src/main/java/cn/wickson/jvm/item04/BootstrapClassLoaderDemo.java

• 我们创建 BootStrapClassLoader 类并打包成 jar 包

• 我们通过 启动类加载器 加载 BootStrapClassLoader-1.0-SNAPSHOT.jar 包，使用 -Xbootclasspath/a:/jar包目录/jar包名 进行扩展

• 打印结果

 Initial BootStrapClassLoader ClassLoader 
clazz = class cn.wickson.classloader.BootStrapClassLoader

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5. 扩展类加载器

扩展类加载器：主要使 java 平台具备了更好的 模块化 和 扩展性。总的来说，扩展类加载器的存在补充了启动类加载器的功能。例如，Java的服务提供者接口（Service Provider Interface，SPI）机制。

SPI（Service Provider Interface）机制：JDK内置的一种服务提供发现机制，可以用来启用框架扩展和替换组件,主要用于框架中开发，例如Dubbo、Spring、Common-Logging，JDBC等采用采用SPI机制，针对同一接口采用不同的实现提供给不同的用户，从而提高了框架的扩展性。

相关博文：https://juejin.cn/post/7132742686099898398

我们实现一个 Java SPI 案例

Logger：01-chapter/ExtensionClassLoader/src/main/java/cn/wickson/classloader/Logger.java

MyLoggerProvider1：01-chapter/ExtensionClassLoader/src/main/java/cn/wickson/classloader/MyLoggerProvider1.java

MyLoggerProvider2：01-chapter/ExtensionClassLoader/src/main/java/cn/wickson/classloader/MyLoggerProvider2.java

cn.wickson.classloader.Logger：01-chapter/ExtensionClassLoader/src/main/resources/META-INF/services/cn.wickson.classloader.Logger

ExtensionClassLoaderDemo：01-chapter/src/main/java/cn/wickson/jvm/item04/ExtensionClassLoaderDemo.java

• 我们创建 ExtensionClassLoader 类并打包成 jar 包

• 我们通过 ExtensionClassLoaderDemo 类SPI机制动态加载Logger接口的具体实现

• 如下演示如何将 ExtensionClassLoader-1.0-SNAPSHOT.jar 加载到 ExtensionClassLoaderDemo 中

  • 第一步：通过 maven 打包，得到 ExtensionClassLoader-1.0-SNAPSHOT.jar
  • 第二步：在 Project Structure ==> Libraries ==> + ==> java
  • 具体流程如下图

  

public class ExtensionClassLoaderDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 使用ServiceLoader动态加载Logger接口的实现
        ServiceLoader<Logger> loader = ServiceLoader.load(Logger.class);
        for (Logger logger : loader) {
            logger.log("Hello, World!");
        }
    }

}

• 打印结果

MyLoggerProvider1.log ==> Hello, World!
MyLoggerProvider2.log ==> Hello, World!

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6. 应用类加载器

应用类加载器：主要负责加载应用程序的类路径（classpath）下的类，包括开发者自己编写的类和第三方类库中的类。

如下是我们通过应用类加载器加载的类

ApplicationClassLoaderDemo：01-chapter/src/main/java/cn/wickson/jvm/item04/ApplicationClassLoaderDemo.java

/**
 * 应用程序加载器
 */
public class ApplicationClassLoaderDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 自定义类对象
        ClassLoader personClassLoader = Person.class.getClassLoader();
        System.out.println("personClassLoader = " + personClassLoader);

        // 第三方类对象(hutool)
        ClassLoader validatorClassLoader = Validator.class.getClassLoader();
        System.out.println("validatorClassLoader = " + validatorClassLoader);
    }

}

• 打印结果

personClassLoader = sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
validatorClassLoader = sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

7. 总结

特征	启动类加载器	扩展类加载器	应用程序类加载器
加载范围	Java核心类库	JRE的扩展类库	应用程序的类和第三方库
加载顺序和优先级	最顶层，最优先级	第二层，次于启动类加载器	第三层，次于扩展类加载器
加载路径	JDK/lib目录下的核心类库	JRE/lib/ext目录下的扩展类库	类路径（classpath）下的类
实现语言	C/C++实现	Java实现	Java实现
可替换性	不可替换	不可替换	可以自定义类加载器进行替换
隔离和管理	负责加载Java核心类库，与JVM紧密关联	负责加载JRE的扩展类库	负责加载应用程序的类
示例	java.lang.Object, java.lang.String	javax.swing.JFrame等	com.example.MyApplication等