類加載器可以加載類，這些類被HotSpot加載后，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++語言實現的，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：
源代碼位置：hotspot/src/share/vm/classfile/classLoader.hpp
class ClassLoader::AllStatic {
private:
// First entry in linked list of ClassPathEntry instances
// ClassPathEntry類指針，ClassPathEntry用於表示單個classpath路徑，
// 所有的ClassPathEntry實例以鏈表的形式關聯起來，_first_entry表示鏈表的第一個實例
static ClassPathEntry* _first_entry;
// Last entry in linked list of ClassPathEntry instances
// 表示鏈表的最后一個實例
static ClassPathEntry* _last_entry;
// Hash table used to keep track of loaded packages
// 用於保存已經加載過的包名
static PackageHashtable* _package_hash_table;
// ...
// 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();
// ...
}
通過_first_entry鏈表保存這個類加載器可以加載的一些類路徑。在虛擬機啟動時會通過調用ClassLoader::setup_bootstrap_search_path()函數來設置。
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文件的字節流
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,false,CHECK_(h));
...
// 調用ClassLoader的add_package方法，把當前類的包名加入到_package_hash_table中
if (add_package(name, classpath_index, THREAD)) {
h = result;
}
}
return h;
}
每個類加載器都對應着一個ClassLoaderData對象，通過ClassLoaderData::the_null_class_loader_data()函數獲取引導類加載器對應的ClassLoaderData對象。
調用add_package()將已經解析過的類進行保存，避免重復加載解析。邏輯實現並不復雜，這里不在介紹。
parseClassFile()方法就是解析Class文件中的類、字段、常量池等信息，然后轉換為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，這里不再介紹。后續會詳細介紹parseClassFile()方法解析Class文件的過程。
2、擴展類加載器
擴展類加載器用Java語言編寫，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader類實現，負責將 <JAVA_HOME >/lib/ext目錄或者由系統變量-Djava.ext.dir所指定的目錄中的類庫加載到內存中。
擴展類加載器ExtClassLoader的實現如下：
源代碼位置：openjdk/jdk/src/share/classes/sun/misc/Launcher.java
static class ExtClassLoader extends URLClassLoader { /** * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created * within a context that limits which files it can read */ public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException { final File[] dirs = getExtDirs(); // 獲取要加載類的加載路徑 ... return new ExtClassLoader(dirs); // 實例化擴展類加載器 ... } /* * Creates a new ExtClassLoader for the specified directories. */ public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException { super(getExtURLs(dirs), null, factory); // parent傳遞的參數為null，所以並不是引導類加載器 } private static File[] getExtDirs() { String s = System.getProperty("java.ext.dirs"); File[] dirs; if (s != null) { StringTokenizer st = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator); int count = st.countTokens(); dirs = new File[count]; for (int i = 0; i < count; i++) { dirs[i] = new File(st.nextToken()); } } else { dirs = new File[0]; } return dirs; } ... }
ExtClassLoader類的構造函數中在調用父類的構造函數時，傳遞的第2個參數的值為null，這個值最終會賦值給parent字段，所以后面將會講到，當這個字段的值為null時，java.lang.ClassLoader類中實現的loadClass()方法在加載一個類時將會調用findBootstrapClassOrNull()方法，而這個方法最終會調用C++實現的ClassLoader類的相關方法進行類加載。
3、系統類加載器/應用類加載器
系統類加載器用Java語言編寫，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader類實現，負責將系統環境變量-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。
擴展類加載器AppClassLoader的實現如下：
源代碼位置：openjdk/jdk/src/share/classes/sun/misc/Launcher.java
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AppClassLoader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ExtClassLoader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（與父加載器並非繼承關系）。用戶自定義的無參類加載器的父類加載器默認就是AppClassloader類加載器。
4、構造類加載器實例
HotSpot在啟動過程中會在<JAVA_HOME>/lib/rt.jar包里面的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，后面會詳細介紹。
下面看一下getSystemClassLoader()方法的實現，如下：
源代碼位置：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(); // 獲取Launcher實例 if (l != null) { scl = l.getClassLoader(); // 獲取類加載器實例 // ... } sclSet = true; } }
如上方法及變量定義在java.lang.ClassLoader類中。
在getSystemClassLoader()函數中調用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：
源代碼位置：openjdk/jdk/src/share/classes/sum/misc/Launcher.java private static Launcher launcher = new Launcher();
調用l.getClassLoader()方法獲取類加載器實例，如下：
源代碼位置：openjdk/jdk/src/share/classes/sum/misc/Launcher.java
public ClassLoader getClassLoader() {
return loader; // 返回的loader就是Launcher類的loader，也就是應用類加載器AppClassLoader
}
auncher()類的構造函數如下：
源代碼位置：openjdk/jdk/src/share/classes/sun/misc/Launcher.java
private ClassLoader loader;
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);
}
如上方法及變量定義在sumn.misc.Lanucher類中。
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
關注公眾號，有HotSpot源碼剖析系列文章！
參考文章：
（1）類加載器的實現
（2）類的預加載
（3）Java類的加載