深入分析Java ClassLoader原理

Posted 2020-09-16 gavanwanggw

一、什么是ClassLoader?

大家都知道，当我们写好一个Java程序之后。不是管是CS还是BS应用，都是由若干个.class文件组织而成的一个完整的Java应用程序，当程序在执行时，即会调用该程序的一个入口函数来调用系统的相关功能，而这些功能都被封装在不同的class文件其中，所以常常要从这个class文件里要调用另外一个class文件里的方法，假设另外一个文件不存在的，则会引发系统异常。而程序在启动的时候，并不会一次性载入程序所要用的全部class文件。而是依据程序的须要，通过Java的类载入机制（ClassLoader）来动态载入某个class文件到内存其中的，从而仅仅有class文件被载入到了内存之后。才干被其他class所引用。所以ClassLoader就是用来动态载入class文件到内存其中用的。

二、Java默认提供的三个ClassLoader

1. BootStrap ClassLoader：称为启动类载入器，是Java类载入层次中最顶层的类载入器，负责载入JDK中的核心类库，如：rt.jar、resources.jar、charsets.jar等。可通过例如以下程序获得该类载入器从哪些地方载入了相关的jar或class文件：

   URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();  
   for (int i = 0; i < urls.length; i++) {  
       System.out.println(urls[i].toExternalForm());  
   }

   
   

   下面内容是上述程序从本机JDK环境所获得的结果：
   file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/resources.jar
   file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/rt.jar
   file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/sunrsasign.jar
   file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jsse.jar
   file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jce.jar
   file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/charsets.jar
   file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/classes/
   事实上上述结果也是通过查找sun.boot.class.path这个系统属性所得知的。

   System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));

   
   

   打印结果：C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes

2. Extension ClassLoader：称为扩展类载入器，负责载入Java的扩展类库，默认载入JAVA_HOME/jre/lib/ext/目下的全部jar。
3. App ClassLoader：称为系统类载入器。负责载入应用程序classpath文件夹下的全部jar和class文件。

注意： 除了Java默认提供的三个ClassLoader之外。用户还能够依据须要定义自已的ClassLoader。而这些自己定义的ClassLoader都必须继承自java.lang.ClassLoader类。也包含Java提供的另外二个ClassLoader（Extension ClassLoader和App ClassLoader）在内，可是Bootstrap ClassLoader不继承自ClassLoader，由于它不是一个普通的Java类，底层由C++编写。已嵌入到了JVM内核其中，当JVM启动后。Bootstrap ClassLoader也随着启动，负责载入完核心类库后，并构造Extension ClassLoader和App ClassLoader类载入器。

三、ClassLoader载入类的原理

1、原理介绍

ClassLoader使用的是双亲托付模型来搜索类的，每一个ClassLoader实例都有一个父类载入器的引用（不是继承的关系，是一个包括的关系），虚拟机内置的类载入器（Bootstrap ClassLoader）本身没有父类载入器，但能够用作其他ClassLoader实例的的父类载入器。当一个ClassLoader实例须要载入某个类时。它会试图亲自搜索某个类之前。先把这个任务托付给它的父类载入器。这个过程是由上至下依次检查的，首先由最顶层的类载入器Bootstrap ClassLoader试图载入，假设没载入到，则把任务转交给Extension ClassLoader试图载入。假设也没载入到，则转交给App ClassLoader 进行载入。假设它也没有载入得到的话，则返回给托付的发起者。由它到指定的文件系统或网络等URL中载入该类。假设它们都没有载入到这个类时，则抛出ClassNotFoundException异常。否则将这个找到的类生成一个类的定义。并将它载入到内存其中，最后返回这个类在内存中的Class实例对象。

2、为什么要使用双亲托付这样的模型呢？

由于这样能够避免反复载入，当父亲已经载入了该类的时候，就没有必要子ClassLoader再载入一次。考虑到安全因素，我们试想一下。假设不使用这样的托付模式，那我们就能够随时使用自己定义的String来动态替代java核心api中定义的类型。这样会存在很大的安全隐患，而双亲托付的方式，就能够避免这样的情况，由于String已经在启动时就被引导类载入器（Bootstrcp ClassLoader）载入。所以用户自己定义的ClassLoader永远也无法载入一个自己写的String，除非你改变JDK中ClassLoader搜索类的默认算法。

 3、 可是JVM在搜索类的时候，又是怎样判定两个class是同样的呢？

JVM在判定两个class是否同样时。不仅要推断两个类名是否同样，并且要推断是否由同一个类载入器实例载入的。仅仅有两者同一时候满足的情况下，JVM才觉得这两个class是同样的。就算两个class是同一份class字节码，假设被两个不同的ClassLoader实例所载入，JVM也会觉得它们是两个不同class。比方网络上的一个Java类org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple。javac编译之后生成字节码文件NetClassLoaderSimple.class，ClassLoaderA和ClassLoaderB这两个类载入器并读取了NetClassLoaderSimple.class文件。并分别定义出了java.lang.Class实例来表示这个类，对于JVM来说。它们是两个不同的实例对象。但它们确实是同一份字节码文件，假设试图将这个Class实例生成详细的对象进行转换时。就会抛执行时异常java.lang.ClassCaseException，提示这是两个不同的类型。

如今通过实例来验证上述所描写叙述的是否正确：

1）、在webserver上建一个org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple.java类

package org.classloader.simple;  
   
public class NetClassLoaderSimple {  
       
    private NetClassLoaderSimple instance;  
   
    public void setNetClassLoaderSimple(Object obj) {  
        this.instance = (NetClassLoaderSimple)obj;  
    }  
}

org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple类的setNetClassLoaderSimple方法接收一个Object类型參数，并将它强制转换成org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple类型。

2）、測试两个class是否同样

package classloader;  
   
public class NewworkClassLoaderTest {  
   
    public static void main(String[] args) {  
        try {  
            //測试载入网络中的class文件  
            String rootUrl = "http://localhost:8080/httpweb/classes";  
            String className = "org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple";  
            NetworkClassLoader ncl1 = new NetworkClassLoader(rootUrl);  
            NetworkClassLoader ncl2 = new NetworkClassLoader(rootUrl);  
            Class<?
> clazz1 = ncl1.loadClass(className);  
            Class<?
> clazz2 = ncl2.loadClass(className);  
            Object obj1 = clazz1.newInstance();  
            Object obj2 = clazz2.newInstance();  
            clazz1.getMethod("setNetClassLoaderSimple", Object.class).invoke(obj1, obj2);  
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
       
}

首先获得网络上一个class文件的二进制名称，然后通过自己定义的类载入器NetworkClassLoader创建两个实例，并依据网络地址分别载入这份class。并得到这两个ClassLoader实例载入后生成的Class实例clazz1和clazz2，最后将这两个Class实例分别生成详细的实例对象obj1和obj2，再通过反射调用clazz1中的setNetClassLoaderSimple方法。

3）、查看測试结果

结论：从结果中能够看出。尽管是同一份class字节码文件，可是因为被两个不同的ClassLoader实例所载入，所以JVM觉得它们就是两个不同的类。

4、ClassLoader的体系架构：

验证ClassLoader载入类的原理：

測试1：打印ClassLoader类的层次结构，请看以下这段代码：

ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();    //获得载入ClassLoaderTest.class这个类的类载入器  
while(loader != null) {  
    System.out.println(loader);  
    loader = loader.getParent();    //获得父类载入器的引用  
}  
System.out.println(loader);

打印结果：

第一行结果说明：ClassLoaderTest的类载入器是AppClassLoader。

第二行结果说明：AppClassLoader的类加器是ExtClassLoader，即parent=ExtClassLoader。

第三行结果说明：ExtClassLoader的类加器是Bootstrap ClassLoader。由于Bootstrap ClassLoader不是一个普通的Java类，所以ExtClassLoader的parent=null。所以第三行的打印结果为null就是这个原因。

測试2：将ClassLoaderTest.class打包成ClassLoaderTest.jar，放到Extension ClassLoader的载入文件夹下（JAVA_HOME/jre/lib/ext），然后又一次执行这个程序，得到的结果会是什么样呢？

打印结果：

打印结果分析：

为什么第一行的结果是ExtClassLoader呢？

由于ClassLoader的托付模型机制，当我们要用ClassLoaderTest.class这个类的时候，AppClassLoader在试图载入之前，先托付给Bootstrcp ClassLoader。Bootstracp ClassLoader发现自己没找到，它就告诉ExtClassLoader，兄弟，我这里没有这个类。你去载入看看，然后Extension ClassLoader拿着这个类去它指定的类路径（JAVA_HOME/jre/lib/ext）试图载入。唉，它发如今ClassLoaderTest.jar这样一个文件里包括ClassLoaderTest.class这种一个文件。然后它把找到的这个类载入到内存其中，并生成这个类的Class实例对象，最后把这个实例返回。所以ClassLoaderTest.class的类载入器是ExtClassLoader。

第二行的结果为null。是由于ExtClassLoader的父类载入器是Bootstrap ClassLoader。

測试3：用Bootstrcp ClassLoader来载入ClassLoaderTest.class。有两种方式：

1、在jvm中加入-Xbootclasspath參数，指定Bootstrcp ClassLoader载入类的路径，并追加我们自已的jar（ClassTestLoader.jar）

2、将class文件放到JAVA_HOME/jre/classes/文件夹下（上面有提到）

方式1：（我用的是Eclipse开发工具，用命令行是在java命令后面加入-Xbootclasspath參数）

打开Run配置对话框：

配置好如图中所述的參数后。又一次执行程序，产的结果例如以下所看到的：（类载入的过程。仅仅摘下了一部份）

打印结果：

[Loaded java.io.FileReader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded sun.nio.cs.StreamDecoder from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.ArrayList from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.lang.reflect.Array from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.Locale from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$Node from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.lang.CharacterDataLatin1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.io.ObjectStreamClass from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded sun.net.www.ParseUtil from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.BitSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.net.Parts from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.net.URLStreamHandler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded sun.net.www.protocol.file.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.HashSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded sun.net.www.protocol.jar.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader$1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Path C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]  
[Loaded classloader.ClassLoaderTest from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]  
null  //这是打印的结果  
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;  
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;  
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;  
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes;c:\ClassLoaderTest.jar    
//这一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));打印出来的。这个路径就是Bootstrcp ClassLoader默认搜索类的路径  
[Loaded java.lang.Shutdown from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.

方式2：将ClassLoaderTest.jar解压后。放到JAVA_HOME/jre/classes文件夹下，例如以下图所看到的：

提示：jre文件夹下默认没有classes文件夹。须要自己手动创建一个

打印结果：

从结果中能够看出。两种方式都实现了将ClassLoaderTest.class由Bootstrcp ClassLoader载入成功了。

四、定义自已的ClassLoader

既然JVM已经提供了默认的类载入器，为什么还要定义自已的类载入器呢？

由于Java中提供的默认ClassLoader，仅仅载入指定文件夹下的jar和class，假设我们想载入其他位置的类或jar时，比方：我要载入网络上的一个class文件，通过动态载入到内存之后，要调用这个类中的方法实现我的业务逻辑。在这种情况下，默认的ClassLoader就不能满足我们的需求了，所以须要定义自己的ClassLoader。

定义自已的类载入器分为两步：

1、继承java.lang.ClassLoader

2、重写父类的findClass方法

读者可能在这里有疑问，父类有那么多方法，为什么偏偏仅仅重写findClass方法？

由于JDK已经在loadClass方法中帮我们实现了ClassLoader搜索类的算法，当在loadClass方法中搜索不到类时，loadClass方法就会调用findClass方法来搜索类，所以我们仅仅需重写该方法就可以。如没有特殊的要求，一般不建议重写loadClass搜索类的算法。

下图是API中ClassLoader的loadClass方法：

演示样例：自己定义一个NetworkClassLoader，用于载入网络上的class文件

ackage classloader;  
   
import java.io.ByteArrayOutputStream;  
import java.io.InputStream;  
import java.net.URL;  
   
/** 
 * 载入网络class的ClassLoader 
 */ 
public class NetworkClassLoader extends ClassLoader {  
       
    private String rootUrl;  
   
    public NetworkClassLoader(String rootUrl) {  
        this.rootUrl = rootUrl;  
    }  
   
    @Override 
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {  
        Class clazz = null;//this.findLoadedClass(name); // 父类已载入     
        //if (clazz == null) {  //检查该类是否已被载入过  
            byte[] classData = getClassData(name);  //依据类的二进制名称,获得该class文件的字节码数组  
            if (classData == null) {  
                throw new ClassNotFoundException();  
            }  
            clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length);  //将class的字节码数组转换成Class类的实例  
        //}   
        return clazz;  
    }  
   
    private byte[] getClassData(String name) {  
        InputStream is = null;  
        try {  
            String path = classNameToPath(name);  
            URL url = new URL(path);  
            byte[] buff = new byte[1024*4];  
            int len = -1;  
            is = url.openStream();  
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();  
            while((len = is.read(buff)) != -1) {  
                baos.write(buff,0,len);  
            }  
            return baos.toByteArray();  
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        } finally {  
            if (is != null) {  
               try {  
                  is.close();  
               } catch(IOException e) {  
                  e.printStackTrace();  
               }  
            }  
        }  
        return null;  
    }  
   
    private String classNameToPath(String name) {  
        return rootUrl + "/" + name.replace(".", "/") + ".class";  
    }  
   
}

測试类：

package classloader;  
   
public class ClassLoaderTest {  
   
    public static void main(String[] args) {  
        try {  
            /*ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();  //获得ClassLoaderTest这个类的类载入器 
            while(loader != null) { 
                System.out.println(loader); 
                loader = loader.getParent();    //获得父载入器的引用 
            } 
            System.out.println(loader);*/ 
               
   
            String rootUrl = "http://localhost:8080/httpweb/classes";  
            NetworkClassLoader networkClassLoader = new NetworkClassLoader(rootUrl);  
            String classname = "org.classloader.simple.NetClassLoaderTest";  
            Class clazz = networkClassLoader.loadClass(classname);  
            System.out.println(clazz.getClassLoader());  
               
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
       
}

打印结果：

下图是我机器上webserver的文件夹结构：

眼下经常使用webserver中都定义了自己的类载入器。用于载入web应用指定文件夹下的类库（jar或class）。如：Weblogic、Jboss、tomcat等，以下我以Tomcat为例，展示该web容器都定义了哪些个类载入器：

1、新建一个webprojecthttpweb

2、新建一个ClassLoaderServletTest，用于打印web容器中的ClassLoader层次结构

import java.io.IOException;  
import java.io.PrintWriter;  
   
import javax.servlet.ServletException;  
import javax.servlet.http.HttpServlet;  
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;  
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;  
   
public class ClassLoaderServletTest extends HttpServlet {  
   
    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)  
            throws ServletException, IOException {  
   
        response.setContentType("text/html");  
        PrintWriter out = response.getWriter();  
        ClassLoader loader = this.getClass().getClassLoader();  
        while(loader != null) {  
            out.write(loader.getClass().getName()+"");  
            loader = loader.getParent();  
        }  
        out.write(String.valueOf(loader));  
        out.flush();  
        out.close();  
    }  
       
    public void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)  
            throws ServletException, IOException {  
        this.doGet(request, response);  
    }  
   
}

3、配置Servlet。并启动服务

<?
xml version="1.0" encoding="UTF-8"?
>  
<web-app version="2.4"  
    xmlns="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee"  
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"  
    xsi:schemaLocation="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee   
 
http://java.sun.com/xml/ns/j2ee/web-app_2_4.xsd">
 
  <servlet>  
    <servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>  
    <servlet-class>ClassLoaderServletTest</servlet-class>  
  </servlet>  
   
  <servlet-mapping>  
    <servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>  
    <url-pattern>/servlet/ClassLoaderServletTest</url-pattern>  
  </servlet-mapping>  
  <welcome-file-list>  
    <welcome-file>index.jsp</welcome-file>  
  </welcome-file-list>  
</web-app>

4、訪问Servlet，获得显示结果