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类加载器

类加载器可以加载类，这些类被HotSpot加载后，都以Klass对象表示。涉及到的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/系统类加载器（Application ClassLoader）。

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++语言来实现的，它负责将 <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：

class ClassLoader::AllStatic {
private:
 ...
     // 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();
    ...
}

load_classfile()方法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方法默认返回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,
                                                       context.should_verify(classpath_index),
                                                       THREAD);
    ...
    // 调用ClassLoader的add_package方法，把当前类的包名加入到_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中，部分的C++对等实现（类模型）在之前已经介绍过，这里不再介绍。后续会详细介绍parseClassFile()方法解析Class文件的过程。

2、扩展类加载器

扩展类加载器由ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）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：
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(); // 获取要加载类的加载路径
 
        ...
        return new ExtClassLoader(dirs); // 实例化扩展类加载器
        ...
    }
 
    /*
     * Creates a new ExtClassLoader for the specified directories.
     */
    public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
        super(getExtURLs(dirs), null, factory); // parent传递的参数为null，所以并不是引导类加载器
    }
 
    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;
    } 
    ...
}

ExtClassLoader类的构造函数中在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，所以后面将会讲到，当这个字段的值为null时，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类的相关方法。

3、系统类加载器/应用类加载器

系统类加载器由AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）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：
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参数是一个扩展类加载器实例
        }
 
        /**
         * Override loadClass so we can checkPackageAccess.
         */
        public Class loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException{
            ...
            return (super.loadClass(name, resolve));
        }
        
        ...
}

在Launcher类的构造函数中实例化系统类加载器时，会调用getAppClassLoader()方法获取系统类加载器，传入的参数是一个扩展类加载器实例，这样系统类加载器的父加载器就变成了扩展类加载器。用户自定义的无参加载器的父类加载器默认就是AppClassloader加载器。

4、构造类加载器实例

HotSpot在启动过程中会在rt.jar包里面的sun.misc.Launcher类中完成扩展类加载器和系统类加载器的实例化，也会进行引导类加载器的初始化，也就是调用C++语言编写的ClassLoader类的initialize()方法。

HotSpot在初始化时，会初始化一个重要的变量，定义如下：

源代码位置：hotspot/src/share/vm/classfile/systemDictionary.cpp

oop  SystemDictionary::_java_system_loader  =  NULL;

这个属性保存系统类加载器实例，HotSpot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()方法中初始化，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

方法的实现如下：

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()方法的结果并保存到_java_system_loader属性中
  _java_system_loader = (oop)result.get_jobject();  // 初始化属性为系统类加载器/应用类加载器/AppClassLoader
}

通过JavaClass::call_static()方法调用java.lang.ClassLoader类的getSystemClassLoader()方法。JavaClass::call_static()方法非常重要，它是HotSpot调用Java静态方法的API，后面传经详细介绍。

下面看一下getSystemClassLoader()方法的实现，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(); // 获取Launcher实例
            if (l != null) {
                scl = l.getClassLoader();
                // ...               
            }
            sclSet = true;
        }
}

调用Launcerh.getLauncher()方法获取Launcher实例，实例通过静态变量launcher来保存，静态变量的定义如下：

private static Launcher launcher = new Launcher();

调用l.getClassLoader()方法获取类加载器实例，如下：

public ClassLoader getClassLoader() {
        return loader; // 返回的loader就是Launcher类的loader，也就是系统类加载器AppClassLoader
}

Launcher()类的构造函数如下：

public Launcher() {
        // Create the extension class loader
        ClassLoader extcl;
        try { 
            // 首先创建了扩展类加载器
            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作为父加载器创建了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. 
        // 默认线程上下文加载器为AppClassloader
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader); 
}

可以看到有对ExtClassLoader与AppClassLoader实例创建的逻辑，这样HotSpot就可以通过_java_system_loader属性获取AppClassLoader实例，通过AppClassLoader实例中的parent属性使用ExtClassLoader。　