深入分析Java ClassLoader的原理

Posted 2020-10-11 怡安

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，当程序在运行时，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文件当中，所以经常要从这个class文件中要调用另外一个class文件中的方法，如果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，并不会一次性加载程序所要用的所有class文件，而是根据程序的需要，通过Java的类加载机制（ClassLoader）来动态加载某个class文件到内存当中的，从而只有class文件被载入到了内存之后，才能被其它class所引用。所以ClassLoader就是用来动态加载class文件到内存当中用的。

 

二、Java默认提供的三个ClassLoader

1. BootStrap ClassLoader：称为启动类加载器，是Java类加载层次中最顶层的类加载器，负责加载JDK中的核心类库，如：rt.jar、resources.jar、charsets.jar等，可通过如下程序获得该类加载器从哪些地方加载了相关的jar或class文件：
   　　[java]

   1. URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();  
   2. for (int i = 0; i < urls.length; i++) {  
   3.     System.out.println(urls[i].toExternalForm());  
   4. }  
   以下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/
   其实上述结果也是通过查找sun.boot.class.path这个系统属性所得知的。
   　　[java]
   

   1. 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：称为扩展类加载器，负责加载Java的扩展类库，默认加载JAVA_HOME/jre/lib/ext/目下的所有jar。
3. App ClassLoader：称为系统类加载器，负责加载应用程序classpath目录下的所有jar和class文件。

        注意： 除了Java默认提供的三个ClassLoader之外，用户还可以根据需要定义自已的ClassLoader，而这些自定义的ClassLoader都必须继承自java.lang.ClassLoader类，也包括Java提供的另外二个ClassLoader（Extension ClassLoader和App ClassLoader）在内，但是Bootstrap ClassLoader不继承自ClassLoader，因为它不是一个普通的Java类，底层由C++编写，已嵌入到了JVM内核当中，当JVM启动后，Bootstrap ClassLoader也随着启动，负责加载完核心类库后，并构造Extension ClassLoader和App ClassLoader类加载器。

 

三、ClassLoader加载类的原理

 1、原理介绍

       ClassLoader使用的是双亲委托模型来搜索类的，每个ClassLoader实例都有一个父类加载器的引用（不是继承的关系，是一个包含的关系），虚拟机内置的类加载器（Bootstrap ClassLoader）本身没有父类加载器，但可以用作其它ClassLoader实例的的父类加载器。当一个ClassLoader实例需要加载某个类时，它会试图亲自搜索某个类之前，先把这个任务委托给它的父类加载器，这个过程是由上至下依次检查的，首先由最顶层的类加载器Bootstrap ClassLoader试图加载，如果没加载到，则把任务转交给Extension ClassLoader试图加载，如果也没加载到，则转交给App ClassLoader 进行加载，如果它也没有加载得到的话，则返回给委托的发起者，由它到指定的文件系统或网络等URL中加载该类。如果它们都没有加载到这个类时，则抛出ClassNotFoundException异常。否则将这个找到的类生成一个类的定义，并将它加载到内存当中，最后返回这个类在内存中的Class实例对象。

 

2、为什么要使用双亲委托这种模型呢？

       因为这样可以避免重复加载，当父亲已经加载了该类的时候，就没有必要子ClassLoader再加载一次。考虑到安全因素，我们试想一下，如果不使用这种委托模式，那我们就可以随时使用自定义的String来动态替代java核心api中定义的类型，这样会存在非常大的安全隐患，而双亲委托的方式，就可以避免这种情况，因为String已经在启动时就被引导类加载器（Bootstrcp ClassLoader）加载，所以用户自定义的ClassLoader永远也无法加载一个自己写的String，除非你改变JDK中ClassLoader搜索类的默认算法。

 

3、 但是JVM在搜索类的时候，又是如何判定两个class是相同的呢？

     JVM在判定两个class是否相同时，不仅要判断两个类名是否相同，而且要判断是否由同一个类加载器实例加载的。只有两者同时满足的情况下，JVM才认为这两个class是相同的。就算两个class是同一份class字节码，如果被两个不同的ClassLoader实例所加载，JVM也会认为它们是两个不同class。比如网络上的一个Java类org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple，javac编译之后生成字节码文件NetClassLoaderSimple.class，ClassLoaderA和ClassLoaderB这两个类加载器并读取了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，如果试图将这个Class实例生成具体的对象进行转换时，就会抛运行时异常java.lang.ClassCaseException，提示这是两个不同的类型。现在通过实例来验证上述所描述的是否正确：

 

1）、在web服务器上建一个org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple.java类

　　[java]

1. package org.classloader.simple;  
2.   
3. public class NetClassLoaderSimple {  
4.       
5.     private NetClassLoaderSimple instance;  
6.   
7.     public void setNetClassLoaderSimple(Object obj) {  
8.         this.instance = (NetClassLoaderSimple)obj;  
9.     }  
10. }  

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

 

2）、测试两个class是否相同（NetWorkClassLoader.java）

 

　　[java]

1. package classloader;  
2.   
3. public class NewworkClassLoaderTest {  
4.   
5.     public static void main(String[] args) {  
6.         try {  
7.             //测试加载网络中的class文件  
8.             String rootUrl = "http://localhost:8080/httpweb/classes";  
9.             String className = "org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple";  
10.             NetworkClassLoader ncl1 = new NetworkClassLoader(rootUrl);  
11.             NetworkClassLoader ncl2 = new NetworkClassLoader(rootUrl);  
12.             Class<?> clazz1 = ncl1.loadClass(className);  
13.             Class<?> clazz2 = ncl2.loadClass(className);  
14.             Object obj1 = clazz1.newInstance();  
15.             Object obj2 = clazz2.newInstance();  
16.             clazz1.getMethod("setNetClassLoaderSimple", Object.class).invoke(obj1, obj2);  
17.         } catch (Exception e) {  
18.             e.printStackTrace();  
19.         }  
20.     }  
21.       
22. }  

首先获得网络上一个class文件的二进制名称，然后通过自定义的类加载器NetworkClassLoader创建两个实例，并根据网络地址分别加载这份class，并得到这两个ClassLoader实例加载后生成的Class实例clazz1和clazz2，最后将这两个Class实例分别生成具体的实例对象obj1和obj2，再通过反射调用clazz1中的setNetClassLoaderSimple方法。

 

3）、查看测试结果

结论：从结果中可以看出，虽然是同一份class字节码文件，但是由于被两个不同的ClassLoader实例所加载，所以JVM认为它们就是两个不同的类。

 

4、ClassLoader的体系架构：

 

验证ClassLoader加载类的原理：

测试1：打印ClassLoader类的层次结构，请看下面这段代码：

　　[java]

1. ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();    //获得加载ClassLoaderTest.class这个类的类加载器  
2. while(loader != null) {  
3.     System.out.println(loader);  
4.     loader = loader.getParent();    //获得父类加载器的引用  
5. }  
6. System.out.println(loader);  

打印结果：

 

第一行结果说明：ClassLoaderTest的类加载器是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，因为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。

 

测试2：将ClassLoaderTest.class打包成ClassLoaderTest.jar，放到Extension ClassLoader的加载目录下（JAVA_HOME/jre/lib/ext），然后重新运行这个程序，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？

      因为ClassLoader的委托模型机制，当我们要用ClassLoaderTest.class这个类的时候，AppClassLoader在试图加载之前，先委托给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，你去加载看看，然后Extension ClassLoader拿着这个类去它指定的类路径（JAVA_HOME/jre/lib/ext）试图加载，唉，它发现在ClassLoaderTest.jar这样一个文件中包含ClassLoaderTest.class这样的一个文件，然后它把找到的这个类加载到内存当中，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的类加载器是ExtClassLoader。

 

第二行的结果为null，是因为ExtClassLoader的父类加载器是Bootstrap ClassLoader。

 

测试3：用Bootstrcp ClassLoader来加载ClassLoaderTest.class，有两种方式：

1、在jvm中添加-Xbootclasspath参数，指定Bootstrcp ClassLoader加载类的路径，并追加我们自已的jar（ClassTestLoader.jar）

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

方式1：（我用的是Eclipse开发工具，用命令行是在java命令后面添加-Xbootclasspath参数）

打开Run配置对话框：

配置好如图中所述的参数后，重新运行程序，产的结果如下所示：（类加载的过程，只摘下了一部份）

打印结果：

　　[java]

1. [Loaded java.io.FileReader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
2. [Loaded sun.nio.cs.StreamDecoder from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
3. [Loaded java.util.ArrayList from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
4. [Loaded java.lang.reflect.Array from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
5. [Loaded java.util.Locale from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
6. [Loaded java.util.concurrent.ConcurrentMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
7. [Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
8. [Loaded java.util.concurrent.locks.Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
9. [Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
10. [Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
11. [Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
12. [Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
13. [Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
14. [Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
15. [Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$Node from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
16. [Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
17. [Loaded java.lang.CharacterDataLatin1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
18. [Loaded java.io.ObjectStreamClass from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
19. [Loaded sun.net.www.ParseUtil from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
20. [Loaded java.util.BitSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
21. [Loaded java.net.Parts from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
22. [Loaded java.net.URLStreamHandler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
23. [Loaded sun.net.www.protocol.file.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
24. [Loaded java.util.HashSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
25. [Loaded sun.net.www.protocol.jar.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
26. [Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
27. [Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader$1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
28. [Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
29. [Path C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]  
30. [Loaded classloader.ClassLoaderTest from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]  
31. null  //这是打印的结果  
32. C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;  
33. C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;  
34. C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;  
35. C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes;c:\ClassLoaderTest.jar    
36. //这一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));打印出来的。这个路径就是Bootstrcp ClassLoader默认搜索类的路径  
37. [Loaded java.lang.Shutdown from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
38. [Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  

方式2：将ClassLoaderTest.jar解压后，放到JAVA_HOME/jre/classes目录下，如下图所示：

提示：jre目录下默认没有classes目录，需要自己手动创建一个

打印结果：

从结果中可以看出，两种方式都实现了将ClassLoaderTest.class由Bootstrcp ClassLoader加载成功了。

 

四、定义自已的ClassLoader

既然JVM已经提供了默认的类加载器，为什么还要定义自已的类加载器呢？

      因为Java中提供的默认ClassLoader，只加载指定目录下的jar和class，如果我们想加载其它位置的类或jar时，比如：我要加载网络上的一个class文件，通过动态加载到内存之后，要调用这个类中的方法实现我的业务逻辑。在这样的情况下，默认的ClassLoader就不能满足我们的需求了，所以需要定义自己的ClassLoader。

定义自已的类加载器分为两步：

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，为什么偏偏只重写findClass方法？

      因为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，所以我们只需重写该方法即可。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：

 

示例：自定义一个NetworkClassLoader，用于加载网络上的class文件

　　[java]

1. package classloader;  
2.   
3. import java.io.ByteArrayOutputStream;  
4. import java.io.InputStream;  
5. import java.net.URL;  
6.   
7. /** 
8.  * 加载网络class的ClassLoader 
9.  */  
10. public class NetworkClassLoader extends ClassLoader {  
11.       
12.     private String rootUrl;  
13.   
14.     public NetworkClassLoader(String rootUrl) {  
15.         this.rootUrl = rootUrl;  
16.     }  
17.   
18.     @Override  
19.     protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {  
20.         Class clazz = null;//this.findLoadedClass(name); // 父类已加载     
21.         //if (clazz == null) {  //检查该类是否已被加载过  
22.             byte[] classData = getClassData(name);  //根据类的二进制名称,获得该class文件的字节码数组  
23.             if (classData == null) {  
24.                 throw new ClassNotFoundException();  
25.             }  
26.             clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length);  //将class的字节码数组转换成Class类的实例  
27.         //}   
28.         return clazz;  
29.     }  
30.   
31.     private byte[] getClassData(String name) {  
32.         InputStream is = null;  
33.         try {  
34.             String path = classNameToPath(name);  
35.             URL url = new URL(path);  
36.             byte[] buff = new byte[1024*4];  
37.             int len = -1;  
38.             is = url.openStream();  
39.             ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();  
40.             while((len = is.read(buff)) != -1) {  
41.                 baos.write(buff,0,len);  
42.             }  
43.             return baos.toByteArray();  
44.         } catch (Exception e) {  
45.             e.printStackTrace();  
46.         } finally {  
47.             if (is != null) {  
48.                try {  
49.                   is.close();  
50.                } catch(IOException e) {  
51.                   e.printStackTrace();  
52.                }  
53.             }  
54.         }  
55.         return null;  
56.     }  
57.   
58.     private String classNameToPath(String name) {  
59.         return rootUrl + "/" + name.replace(".", "/") + ".class";  
60.     }  
61.   
62. }  

测试类：

 

　　[java]

1. package classloader;  
2.   
3. public class ClassLoaderTest {  
4.   
5.     public static void main(String[] args) {  
6.         try {  
7.             /*ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();  //获得ClassLoaderTest这个类的类加载器 
8.             while(loader != null) { 
9.                 System.out.println(loader); 
10.                 loader = loader.getParent();    //获得父加载器的引用 
11.             } 
12.             System.out.println(loader);*/  
13.               
14.   
15.             String rootUrl = "http://localhost:8080/httpweb/classes";  
16.             NetworkClassLoader networkClassLoader = new NetworkClassLoader(rootUrl);  
17.             String classname = "org.classloader.simple.NetClassLoaderTest";  
18.             Class clazz = networkClassLoader.loadClass(classname);  
19.             System.out.println(clazz.getClassLoader());  
20.               
21.         } catch (Exception e) {  
22.             e.printStackTrace();  
23.         }  
24.     }  
25.       
26. }  

打印结果：

 

 

下图是我机器上web服务器的目录结构：

 

目前常用web服务器中都定义了自己的类加载器，用于加载web应用指定目录下的类库（jar或class），如：Weblogic、Jboss、tomcat等，下面我以Tomcat为例，展示该web容器都定义了哪些个类加载器：

1、新建一个web工程httpweb

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

　　[java]

1. import java.io.IOException;  
2. import java.io.PrintWriter;  
3.   
4. import javax.servlet.ServletException;  
5. import javax.servlet.http.HttpServlet;  
6. import javax.servlet.http.HttpServletRequest;  
7. import javax.servlet.http.HttpServletResponse;  
8.   
9. public class ClassLoaderServletTest extends HttpServlet {  
10.   
11.     public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)  
12.             throws ServletException, IOException {  
13.   
14.         response.setContentType("text/html");  
15.         PrintWriter out = response.getWriter();  
16.         ClassLoader loader = this.getClass().getClassLoader();  
17.         while(loader != null) {  
18.             out.write(loader.getClass().getName()+"<br/>");  
19.             loader = loader.getParent();  
20.         }  
21.         out.write(String.valueOf(loader));  
22.         out.flush();  
23.         out.close();  
24.     }  
25.       
26.     public void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)  
27.             throws ServletException, IOException {  
28.         this.doGet(request, response);  
29.     }  
30.   
31. }  

3、配置Servlet，并启动服务

 

　　[html]

1. <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>  
2. <web-app version="2.4"   
3.     xmlns="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee"   
4.     xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"   
5.     xsi:schemaLocation="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee   
6.     http://java.sun.com/xml/ns/j2ee/web-app_2_4.xsd">  
7.   <servlet>  
8.     <servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>  
9.     <servlet-class>ClassLoaderServletTest</servlet-class>  
10.   </servlet>  
11.   
12.   <servlet-mapping>  
13.     <servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>  
14.     <url-pattern>/servlet/ClassLoaderServletTest</url-pattern>  
15.   </servlet-mapping>  
16.   <welcome-file-list>  
17.     <welcome-file>index.jsp</welcome-file>  
18.   </welcome-file-list>  
19. </web-app>  

4、访问Servlet，获得显示结果