What is bootstrap loader in java

ClassLoader in Java

The Java ClassLoader is a part of the Java Runtime Environment that dynamically loads Java classes into the Java Virtual Machine. The Java run time system does not need to know about files and file systems because of classloaders. Java classes aren’t loaded into memory all at once, but when required by an application. At this point, the Java ClassLoader is called by the JRE and these ClassLoaders load classes into memory dynamically.

Types of ClassLoaders in Java

Not all classes are loaded by a single ClassLoader. Depending on the type of class and the path of class, the ClassLoader that loads that particular class is decided. To know the ClassLoader that loads a class the getClassLoader() method is used. All classes are loaded based on their names and if any of these classes are not found then it returns a NoClassDefFoundError or ClassNotFoundException. A Java Classloader is of three types:

1. BootStrap ClassLoader: A Bootstrap Classloader is a Machine code which kickstarts the operation when the JVM calls it. It is not a java class. Its job is to load the first pure Java ClassLoader. Bootstrap ClassLoader loads classes from the location rt.jar. Bootstrap ClassLoader doesn’t have any parent ClassLoaders. It is also called as the Primordial ClassLoader.
2. Extension ClassLoader: The Extension ClassLoader is a child of Bootstrap ClassLoader and loads the extensions of core java classes from the respective JDK Extension library. It loads files from jre/lib/ext directory or any other directory pointed by the system property java.ext.dirs.
3. System ClassLoader: An Application ClassLoader is also known as a System ClassLoader. It loads the Application type classes found in the environment variable CLASSPATH, -classpath or -cp command line option. The Application ClassLoader is a child class of Extension ClassLoader.

Note: The ClassLoader Delegation Hierarchy Model always functions in the order Application ClassLoader->Extension ClassLoader->Bootstrap ClassLoader. The Bootstrap ClassLoader is always given the higher priority, next is Extension ClassLoader and then Application ClassLoader.

Principles of functionality of a Java ClassLoader

Principles of functionality are the set of rules or features on which a Java ClassLoader works. There are three principles of functionality, they are:

1. Delegation Model: The Java Virtual Machine and the Java ClassLoader use an algorithm called the Delegation Hierarchy Algorithm to Load the classes into the Java file. The ClassLoader works based on a set of operations given by the delegation model. They are:
   • ClassLoader always follows the Delegation Hierarchy Principle.
   • Whenever JVM comes across a class, it checks whether that class is already loaded or not.
   • If the Class is already loaded in the method area then the JVM proceeds with execution.
   • If the class is not present in the method area then the JVM asks the Java ClassLoader Sub-System to load that particular class, then ClassLoader sub-system hands over the control to Application ClassLoader.
   • Application ClassLoader then delegates the request to Extension ClassLoader and the Extension ClassLoader in turn delegates the request to Bootstrap ClassLoader.
   • Bootstrap ClassLoader will search in the Bootstrap classpath(JDK/JRE/LIB). If the class is available then it is loaded, if not the request is delegated to Extension ClassLoader.
   • Extension ClassLoader searches for the class in the Extension Classpath(JDK/JRE/LIB/EXT). If the class is available then it is loaded, if not the request is delegated to the Application ClassLoader.
   • Application ClassLoader searches for the class in the Application Classpath. If the class is available then it is loaded, if not then a ClassNotFoundException exception is generated.
2. Visibility Principle: The Visibility Principle states that a class loaded by a parent ClassLoader is visible to the child ClassLoaders but a class loaded by a child ClassLoader is not visible to the parent ClassLoaders. Suppose a class GEEKS.class has been loaded by the Extension ClassLoader, then that class is only visible to the Extension ClassLoader and Application ClassLoader but not to the Bootstrap ClassLoader. If that class is again tried to load using Bootstrap ClassLoader it gives an exception java.lang.ClassNotFoundException.
3. Uniqueness Property: The Uniqueness Property ensures that the classes are unique and there is no repetition of classes. This also ensures that the classes loaded by parent classloaders are not loaded by the child classloaders. If the parent class loader isn’t able to find the class, only then the current instance would attempt to do so itself.

Methods of Java.lang.ClassLoader

After the JVM requests for the class, a few steps are to be followed in order to load a class. The Classes are loaded as per the delegation model but there are a few important Methods or Functions that play a vital role in loading a Class.

1. loadClass(String name, boolean resolve): This method is used to load the classes which are referenced by the JVM. It takes the name of the class as a parameter. This is of type loadClass(String, boolean).
2. defineClass(): The defineClass() method is a final method and cannot be overridden. This method is used to define a array of bytes as an instance of class. If the class is invalid then it throws ClassFormatError.
3. findClass(String name): This method is used to find a specified class. This method only finds but doesn’t load the class.
4. findLoadedClass(String name): This method is used to verify whether the Class referenced by the JVM was previously loaded or not.
5. Class.forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader): This method is used to load the class as well as initialize the class. This method also gives the option to choose any one of the ClassLoaders. If the ClassLoader parameter is NULL then Bootstrap ClassLoader is used.

Example: The following code is executed before a class is loaded:

Источник

Внутренности JVM, Часть 1 — Загрузчик классов

В этой серии статей я расскажу о том, как работает Java Virtual Machine. Сегодня мы рассмотрим механизм загрузки классов в JVM.

Виртуальная машина Java — это сердце экосистемы Java-технологий. Она делает для Java-программ возможность реализации принципа «написано один раз, работает везде» (write once run everywhere). Как и другие виртуальные машины, JVM представляет собой абстрактный компьютер. Основная задача JVM — загружать class-файлы и выполнять содержащийся в них байт-код.

В состав JVM входят различные компоненты, такие как загрузчик классов (Classloader), сборщик мусора (Garbage Collector) (автоматическое управление памятью), интерпретатор, JIT-компилятор, компоненты управления потоками. В этой статье рассмотрим загрузчик классов (Class loader).

Загрузчик классов загружает class-файлы как для вашего приложения, так и для Java API. В виртуальную машину загружаются только те class-файлы Java API, которые действительно требуются при выполнении программы.

Байт-код выполняется подсистемой исполнения (execution engine).

Что такое загрузка классов?

Загрузка классов — это поиск и загрузка типов (классов и интерфейсов) динамически во время выполнения программы. Данные о типах находятся в бинарных class-файлах.

Этапы загрузки классов

Подсистема загрузчика классов отвечает не только за поиск и импорт бинарных данных класса. Она также выполняет проверку правильности импортируемых классов, выделяет и инициализирует память для переменных класса, помогает в разрешении символьных ссылок. Эти действия выполняются в следующем порядке:

• Загрузка (loading) — поиск и импорт бинарных данных для типа по его имени, создание класса или интерфейса из этого бинарного представления.
• Связывание, линковка (linking) — выполнение верификации, подготовки и, необязательного, разрешения:
  • Верификация (verification) — проверка корректности импортируемого типа.
  • Подготовка (preparation) — выделение памяти для статических переменных класса и инициализация памяти значениями по умолчанию.
  • Разрешение (resolution) — преобразование символьных ссылок типов в прямые ссылки.

  Примечание — загрузчик классов, помимо загрузки классов, также отвечает за поиск ресурсов. Ресурс — это некоторые данные (например, “.class” файл, данные конфигурации, изображения), которые идентифицируются с помощью абстрактного пути, разделенного символом «/». Ресурсы обычно упаковываются вместе с приложением или библиотекой для того, чтобы их можно было использовать в коде приложения или библиотеки.

  Механизм загрузки классов в Java

  Примечание переводчика — в данном разделе описано поведение для java < 9, в java 9+ произошли небольшие изменения, которые описаны ниже.

  В Java используется модель делегирования загрузки классов. Основная идея состоит в том, что у каждого загрузчика классов есть “родительский” загрузчик. Когда происходит загрузка класса, то загрузчик “делегирует” поиск класса своему родителю, перед тем как искать класс самостоятельно.

  Модель делегирования загрузчиков классов представляет собой граф загрузчиков, которые передают друг другу запросы на загрузку. Корнем в этом графе является bootstrap-загрузчик. Загрузчики классов создаются с одним родителем, которому они могут делегировать загрузку, и осуществляют поиск класса в следующих местах:

  Класс загружается тем загрузчиком, который ближе всего к корню, поскольку право первому загрузить класс всегда предоставляется загрузчику-родителю. Это позволяет загрузчику видеть только классы, загруженные самостоятельно, его родителем или предками. Он не может видеть классы, загруженные дочерними загрузчиками.

  В Java SE Platform API исторически было определено два загрузчика классов:

  Bootstrap class loader (базовый, первичный загрузчик) — загружает классы из bootstrap classpath.

  System class loader (системный загрузчик) — родительский класс для новых загрузчиков классов и, как правило, загрузчик классов, используемый для загрузки и запуска приложения.

  Загрузчики классов JDK 9+

  Application class loader — обычно используется для загрузки классов приложения из classpath. Также это загрузчик по умолчанию для некоторых модулей JDK, которые содержат утилиты или экспортируют API утилит. (Примечание переводчика: например, jdk.jconsole , jdk.jshell и др)

  Platform class loader — загружает выбранные (на основе безопасности / разрешений) модули Java SE и JDK. Например, java.sql.

  Bootstrap class loader — загружает основные модули Java SE и JDK.

  Эти три встроенных загрузчика классов работают вместе следующим образом:

  • Application class loader сначала ищет именованные модули, определенные для всех встроенных загрузчиков. Если для одного из этих загрузчиков определен подходящий модуль, то этот загрузчик загружает класс. Если в именованном модуле, определенном для одного из этих загрузчиков, класс не найден, тогда application class loader делегирует его родителю. Если класс не найден родителем, то application class loader ищет его в classpath. Классы, найденные в classpath, загружаются как члены безымянного модуля этого загрузчика.
  • Platform class loader выполняет поиск именованных модулей, определенных для всех встроенных загрузчиков. Если подходящий модуль определен для одного из этих загрузчиков, тогда этот загрузчик загружает класс. Если в именованном модуле, определенном для одного из этих загрузчиков, класс не найден, тогда platform class loader делегирует его родителю.
  • Bootstrap class loader выполняет поиск именованных модулей, определенных для него самого. Если класс не найден в именованном модуле, определенном для bootstrap-загрузчика, тогда bootstrap-загрузчик ищет файлы и каталоги, добавленные в bootstrap classpath, с помощью параметра -Xbootclasspath/a (позволяет добавить файлы и каталоги к bootstrap classpath). Классы, найденные в bootstrap classpath, загружаются как члены безымянного модуля этого загрузчика.

  package ru.deft.homework; import java.sql.Date; public class BuiltInClassLoadersDemo < public static void main(String[] args) < BuiltInClassLoadersDemo demoObject = new BuiltInClassLoadersDemo(); ClassLoader applicationClassLoader = demoObject.getClass().getClassLoader(); printClassLoaderDetails(applicationClassLoader); // java.sql classes are loaded by platform classloader java.sql.Date now = new Date(System.currentTimeMillis()); ClassLoader platformClassLoder = now.getClass().getClassLoader(); printClassLoaderDetails(platformClassLoder); // java.lang classes are loaded by bootstrap classloader ClassLoader bootstrapClassLoder = args.getClass().getClassLoader(); printClassLoaderDetails(bootstrapClassLoder); >private static void printClassLoaderDetails(ClassLoader classLoader) < // bootstrap classloader is represented by null in JVM if (classLoader != null) < System.out.println("ClassLoader name : " + classLoader.getName()); System.out.println("ClassLoader class : " + classLoader.getClass().getName()); >else < System.out.println("Bootstrap classloader"); >> >

  Запустив этот код на установленном у меня Amazon Corretto 11.0.3, получим следующий результат:

  ClassLoader name : app ClassLoader class : jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader ClassLoader name : platform ClassLoader class : jdk.internal.loader.ClassLoaders$PlatformClassLoader Bootstrap classloader

  Источник