第3.1篇-类加载器
类加载器可以装载类，这些类被HotSpot VM装载后，都以InstanceKlass实例表示（其实还可能是更具体的InstanceRefKlass、InstanceMirrorKlass或InstanceClassLoaderKlass实例）。涉及到主要的类加载器有启动类加载器/引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）和应用类加载器（Application ClassLoade）。
1、引导类加载器/启动类加载器
引导类加载器由ClassLoader类实现，这个ClassLoader类是用C++语言编写的，负责将<JAVA_HOME>/lib目录、-Xbootclasspath选项指定的目录或系统属性sun.boot.class.path指定的目录下的核心类库加载到内存中。
用C++语言定义的类加载器及重要的函数如下：
源代码位置：openjdk/hotspot/src/share/vm/classfile/classLoader.hpp
class ClassLoader::AllStatic {
private:
// ClassPathEntry类指针，ClassPathEntry用于表示单个classpath路径，
// 所有的ClassPathEntry实例以链表的形式关联起来，_first_entry表示链表的第一个实例
static ClassPathEntry* _first_entry;
// 表示链表的最后一个实例
static ClassPathEntry* _last_entry;
// 用于保存已经加载过的包名
static PackageHashtable* _package_hash_table;
// ...
// 加载类
static instanceKlassHandle load_classfile(Symbol* h_name,TRAPS);
// 设置加载路径
static void setup_bootstrap_search_path();
public:
// 初始化类加载器
static void initialize();
// ...
}
通过_first_entry链表保存这个类加载器可以加载的一些类路径。在HotSpot VM启动时会通过调用ClassLoader::setup_bootstrap_search_path()函数来设置。
load_classfile()函数可以根据类名加载类，具体实现如下：
源代码位置：openjdk/hotspot/src/share/vm/classfile/classLoader.cpp
instanceKlassHandle ClassLoader::load_classfile(Symbol* h_name, TRAPS) {
// 获取类名
const char* class_name = h_name->as_C_string();
....
stringStream st;
st.print_raw(h_name->as_utf8());
st.print_raw(".class");
// 获取文件名
const char* file_name = st.as_string();
ClassLoaderExt::Context context(class_name, file_name, THREAD);
// ClassFileStream表示Class文件的字节流
ClassFileStream* stream = NULL;
int classpath_index = 0;
ClassPathEntry* e = NULL;
instanceKlassHandle h;
{
//从第一个ClassPathEntry开始遍历所有的ClassPathEntry
e = _first_entry;
while (e != NULL) {
stream = e->open_stream(file_name, CHECK_NULL);
// 如果检查返回false则返回null，check()函数默认返回true
if (!context.check(stream, classpath_index)) {
return h; // NULL
}
// 如果找到目标文件则跳出循环
if (stream != NULL) {
break;
}
e = e->next();
++classpath_index;
}
}
//如果找到了目标Class文件
if (stream != NULL) {
// 构建一个ClassFileParser实例
ClassFileParser parser(stream);
// 构建一个ClassLoaderData实例
ClassLoaderData* loader_data = ClassLoaderData::the_null_class_loader_data();
Handle protection_domain;
TempNewSymbol parsed_name = NULL;
// 解析并加载class文件，注意此时并未开始链接
instanceKlassHandle result = parser.parseClassFile(h_name,loader_data,protection_domain,parsed_name,false,CHECK_(h));
...
// 调用ClassLoader的add_package函数，把当前类的包名加入到_package_hash_table中
if (add_package(name, classpath_index, THREAD)) {
h = result;
}
}
return h;
}
每个类加载器都对应着一个ClassLoaderData实例，通过ClassLoaderData::the_null_class_loader_data()函数获取引导类加载器对应的ClassLoaderData实例。
因为ClassPath有多个，所以ClassPathEntry通过单链表结构连接起来，同时在ClassPathEntry类中还声明了一个虚函数open_stream()。这样就可以通过循环遍历链表上的结构，直到查找到某个类路径下名称为name的Class文件为止，这时候open_stream()函数会返回定义此类的Class文件的ClassFileStream实例。
parseClassFile()函数就是解析Class文件中的类、字段、常量池等信息，然后转换为C++内部的对等表示，如类元信息存储在InstanceKlass实例中，常量池信息存储在ConstantPool实例中。下一章开始会详细介绍parseClassFile()函数解析Class文件的过程。
调用add_package()函数保存已经解析完成的类，避免重复加载解析。
2、扩展类加载器
扩展类加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类实现，负责将<JAVA_HOME >/lib/ext目录或者由系统变量-Djava.ext.dir所指定的目录中的类库加载到内存中。
用Java语言编写的扩展类加载器的实现如下：
源代码位置：openjdk/jdk/src/share/classes/sun/misc/Launcher.java
static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
// 构造函数
public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
super(getExtURLs(dirs), null, factory); // 为parent字段传递的参数为null
}
public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException {
final File[] dirs = getExtDirs(); // 获取要加载类的加载路径
...
return new ExtClassLoader(dirs); // 实例化扩展类加载器
...
}
private static File[] getExtDirs() {
String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
File[] dirs;
if (s != null) {
StringTokenizer st = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
int count = st.countTokens();
dirs = new File[count];
for (int i = 0; i < count; i++) {
dirs[i] = new File(st.nextToken());
}
} else {
dirs = new File[0];
}
return dirs;
}
...
}
在ExtClassLoader类的构造函数中调用父类的构造函数时，传递的第2个参数的值为null，这个值最终会赋值给parent字段，当这个字段的值为null时，java.lang.ClassLoader类中实现的loadClass()方法会调用findBootstrapClassOrNull()方法加载类，最终会调用C++实现的ClassLoader类中的相关函数加载类。
3、系统类加载器/应用类加载器
应用类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader类实现，负责将由系统环境变量-classpath、-cp或系统属性java.class.path指定的路径下的类库加载到内存中。
用Java语言编写的扩展类加载器的实现如下：
源代码位置：openjdk/jdk/src/share/classes/sun/misc/Launcher.java
static class AppClassLoader extends URLClassLoader {
// 构造函数
AppClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent) {
super(urls, parent, factory); // parent通常是ExtClassLoader对象
}
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);
}
public Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
...
return (super.loadClass(name, resolve));
}
...
}
在Launcher类的构造方法中实例化应用类加载器AppClassLoader时，会调用getAppClassLoader()方法获取应用类加载器，传入的参数是一个扩展类加载器ExtClassLoader对象，这样应用类加载器的父加载器就变成了扩展类加载器（与父加载器并非继承关系）。用户自定义的无参类加载器的父类加载器默认是AppClassloader类加载器。
4、构造类加载器实例
HotSpot VM在启动过程中会在<JAVA_HOME>/lib/rt.jar包里面的sun.misc.Launcher类中完成扩展类加载器和应用类加载器的实例化，也会调用C++语言编写的ClassLoader类的initialize()函数完成应用类加载器的初始化。
HotSpot VM在启动时会初始化一个重要的变量，定义如下：
源代码位置：openjdk/hotspot/src/share/vm/classfile/systemDictionary.cpp oop SystemDictionary::_java_system_loader = NULL;
这个属性保存应用类加载器实例，HotSpot VM在加载主类时会使用这个类加载器加载主类。属性在compute_java_system_loader()函数中初始化，调用链路如下：
JavaMain() java.c InitializeJVM() java.c JNI_CreateJavaVM() jni.cpp Threads::create_vm() thread.cpp SystemDictionary::compute_java_system_loader() systemDictionary.cpp
compute_java_system_loader()函数的实现如下：
源代码位置：openjdk/hotspot/src/share/vm/classfile/systemDictionary.cpp
void SystemDictionary::compute_java_system_loader(TRAPS) {
KlassHandle system_klass(THREAD, WK_KLASS(ClassLoader_klass));
JavaValue result(T_OBJECT);
// 调用java.lang.ClassLoader类的getSystemClassLoader()方法
JavaCalls::call_static(
&result, // 调用Java静态方法的返回值存储在result中
KlassHandle(THREAD, WK_KLASS(ClassLoader_klass)), // 调用的目标类为java.lang.ClassLoader
vmSymbols::getSystemClassLoader_name(), // 调用目标类中的目标方法为getSystemClassLoader()
vmSymbols::void_classloader_signature(), // 调用目标方法的方法签名
CHECK
);
// 获取调用getSystemClassLoader()方法的返回值并保存到_java_system_loader属性中
// 初始化属性为应用类加载器/AppClassLoader
_java_system_loader = (oop)result.get_jobject();
}
通过JavaClass::call_static()函数调用java.lang.ClassLoader类的getSystemClassLoader()方法。JavaClass::call_static()函数非常重要，它是HotSpot VM调用Java静态方法的API。
下面看一下getSystemClassLoader()方法的实现，如下：
源代码位置：openjdk/jdk/src/share/classes/java/lang/ClassLoader.java
private static ClassLoader scl;
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(); // 获取Launcher对象
if (l != null) {
scl = l.getClassLoader(); // 获取应用类加载器AppClassLoader对象
...
}
sclSet = true;
}
}
如上方法及变量定义在java.lang.ClassLoader类中。
在initSystemClassLoader()方法中调用Launcher.getLauncher()方法获取Launcher对象，这个对象已保存在launcher这个静态变量中，这个变量的定义如下：
源代码位置：openjdk/jdk/src/share/classes/sum/misc/Launcher.java private static Launcher launcher = new Launcher();
在定义静态变量时就会初始化Launcher对象，调用的Launcher构造函数如下：
源代码位置：openjdk/jdk/src/share/classes/sun/misc/Launcher.java
private ClassLoader loader;
public Launcher() {
// 首先创建了扩展类加载器
ClassLoader extcl;
try {
extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
} catch (IOException e) {
throw new InternalError("Could not create extension class loader", e);
}
// 以ExtClassloader为父加载器创建了AppClassLoader
try {
loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
} catch (IOException e) {
throw new InternalError("Could not create application class loader", e);
}
// 设置默认线程上下文加载器为AppClassloader
Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
}
public ClassLoader getClassLoader() {
return loader;
}
如上方法及变量都定义在sum.misc.Lanucher类中。
在Launcher类的构造方法中创建ExtClassLoader与AppClassLoader对象，而loader变量被初始化为AppClassLoader对象，最终在initSystemClassLoader()函数中调用getClassLoader()方法返回的就是这个对象。HotSpot VM最终可以通过_java_system_loader属性获取AppClassLoader对象，通过AppClassLoader对象中的parent属性获取ExtClassLoader对象。
参考文章：
（1）类加载器的实现
（2）类的预加载
（3）Java类的加载
