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Java ClassLoader 技术剖析

  在本文中,我们将不对 Java ClassLoader 的细节进行过于详细的讲解,而是关注于和构建在线升级系统相关的基础概念。关于 ClassLoader 的详细细节许多资料可以参考,有兴趣的读者可以自行研读。

  要构建在线升级系统,一个重要的技术就是能够实现 Java 类的热替换 —— 也就是在不停止正在运行的系统的情况下进行类(对象)的升级替换。而 Java 的 ClassLoader 正是实现这项技术的基础。

  在 Java 中,类的实例化流程分为两个部分:类的加载和类的实例化。类的加载又分为显式加载和隐式加载。大家使用 new 关键字创建类实例时,其实就隐式地包含了类的加载过程。对于类的显式加载来说,比较常用的是 Class.forName。其实,它们都是通过调用 ClassLoader 类的 loadClass 方法来完成类的实际加载工作的。直接调用 ClassLoader 的 loadClass 方法是另外一种不常用的显式加载类的技术。


图 1. Java 类加载器层次结构图

  ClassLoader 在加载类时有一定的层次关系和规则。在 Java 中,有四种类型的类加载器,分别为:BootStrapClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader 以及用户自定义的 ClassLoader。这四种类加载器分别负责不同路径的类的加载,并形成了一个类加载的层次结构。

  BootStrapClassLoader 处于类加载器层次结构的最高层,负责 sun.boot.class.path 路径下类的加载,默认为 jre/lib 目录下的核心 API 或 -Xbootclasspath 选项指定的 jar 包。ExtClassLoader 的加载路径为 java.ext.dirs,默认为 jre/lib/ext 目录或者 -Djava.ext.dirs 指定目录下的 jar 包加载。AppClassLoader 的加载路径为 java.class.path,默认为环境变量 CLASSPATH 中设定的值。也可以通过 -classpath 选型进行指定。用户自定义 ClassLoader 可以根据用户的需要定制自己的类加载过程,在运行期进行指定类的动态实时加载。

  这四种类加载器的层次关系图如 图 1 所示。一般来说,这四种类加载器会形成一种父子关系,高层为低层的父加载器。在进行类加载时,首先会自底向上挨个检查是否已经加载了指定类,如果已经加载则直接返回该类的引用。如果到最高层也没有加载过指定类,那么会自顶向下挨个尝试加载,直到用户自定义类加载器,如果还不能成功,就会抛出异常。Java 类的加载过程如 图 2 所示。


图 2. Java 类的加载过程

  每个类加载器有自己的名字空间,对于同一个类加载器实例来说,名字相同的类只能存在一个,并且仅加载一次。不管该类有没有变化,下次再需要加载时,它只是从自己的缓存中直接返回已经加载过的类引用。

  我们编写的应用类默认情况下都是通过 AppClassLoader 进行加载的。当我们使用 new 关键字或者 Class.forName 来加载类时,所要加载的类都是由调用 new 或者 Class.forName 的类的类加载器(也是 AppClassLoader)进行加载的。要想实现 Java 类的热替换,首先必须要实现系统中同名类的不同版本实例的共存,通过上面的介绍我们知道,要想实现同一个类的不同版本的共存,我们必须要通过不同的类加载器来加载该类的不同版本。另外,为了能够绕过 Java 类的既定加载过程,我们需要实现自己的类加载器,并在其中对类的加载过程进行完全的控制和管理。