(转)理解classloader
Posted 竹马今安在
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了(转)理解classloader相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
ClassLoader翻译过来就是类加载器，普通的Java开发者其实用到的不多，但对于某些框架开发者来说却非常常见。理解ClassLoader的加载机制，也有利于我们编写出更高效的代码。ClassLoader的具体作用就是将class文件加载到jvm虚拟机中去，程序就可以正确运行了。但是，jvm启动的时候，并不会一次性加载所有的class文件，而是根据需要去动态加载。想想也是的，一次性加载那么多jar包那么多class，那内存不崩溃。本文的目的也是学习ClassLoader这种加载机制。
备注：本文篇幅比较长，但内容简单，大家不要恐慌，安静地耐心翻阅就是
Class文件的认识
我们都知道在Java中程序是运行在虚拟机中，我们平常用文本编辑器或者是IDE编写的程序都是.java格式的文件，这是最基础的源码，但这类文件是不能直接运行的。如我们编写一个简单的程序HelloWorld.java
如图： 
然后，我们需要在命令行中进行java文件的编译
可以看到目录下生成了.class文件
我们再从命令行中执行命令：
上面是基本代码示例，是所有入门JAVA语言时都学过的东西，这里重新拿出来是想让大家将焦点回到class文件上，class文件是字节码格式文件，java虚拟机并不能直接识别我们平常编写的.java源文件，所以需要javac这个命令转换成.class文件。另外，如果用C或者Python编写的程序正确转换成.class文件后，java虚拟机也是可以识别运行的。更多信息大家可以参考这篇。
了解了.class文件后，我们再来思考下，我们平常在Eclipse中编写的java程序是如何运行的，也就是我们自己编写的各种类是如何被加载到jvm(java虚拟机)中去的。
你还记得java环境变量吗？
初学java的时候，最害怕的就是下载JDK后要配置环境变量了，关键是当时不理解，所以战战兢兢地照着书籍上或者是网络上的介绍进行操作。然后下次再弄的时候，又忘记了而且是必忘。当时，心里的想法很气愤的，想着是–这东西一点也不人性化，为什么非要自己配置环境变量呢？太不照顾菜鸟和新手了，很多菜鸟就是因为卡在环境变量的配置上，遭受了太多的挫败感。
因为我是在Windows下编程的，所以只讲Window平台上的环境变量，主要有3个：JAVA_HOME、PATH、CLASSPATH。
JAVA_HOME
指的是你JDK安装的位置，一般默认安装在C盘，如
PATH
将程序路径包含在PATH当中后，在命令行窗口就可以直接键入它的名字了，而不再需要键入它的全路径,比如上面代码中我用的到javac和java两个命令。
一般的
也就是在原来的PATH路径上添加JDK目录下的bin目录和jre目录的bin.
CLASSPATH
一看就是指向jar包路径。
需要注意的是前面的.;，.代表当前目录。
环境变量的设置与查看
设置可以右击我的电脑，然后点击属性，再点击高级，然后点击环境变量，具体不明白的自行查阅文档。
查看的话可以打开命令行窗口
好了，扯远了，知道了环境变量，特别是CLASSPATH时，我们进入今天的主题Classloader.
JAVA类加载流程
Java语言系统自带有三个类加载器:
- Bootstrap ClassLoader 最顶层的加载类，主要加载核心类库，%JRE_HOME%\\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar和class等。另外需要注意的是可以通过启动jvm时指定-Xbootclasspath和路径来改变Bootstrap ClassLoader的加载目录。比如java -Xbootclasspath/a:path被指定的文件追加到默认的bootstrap路径中。我们可以打开我的电脑，在上面的目录下查看，看看这些jar包是不是存在于这个目录。
- Extention ClassLoader 扩展的类加载器，加载目录%JRE_HOME%\\lib\\ext目录下的jar包和class文件。还可以加载-D java.ext.dirs选项指定的目录。
- Appclass Loader也称为SystemAppClass 加载当前应用的classpath的所有类。
我们上面简单介绍了3个ClassLoader。说明了它们加载的路径。并且还提到了-Xbootclasspath和-D java.ext.dirs这两个虚拟机参数选项。
加载顺序？
我们看到了系统的3个类加载器，但我们可能不知道具体哪个先行呢？
我可以先告诉你答案
1. Bootstrap CLassloder
2. Extention ClassLoader
3. AppClassLoader
为了更好的理解，我们可以查看源码。
看sun.misc.Launcher,它是一个java虚拟机的入口应用。
源码有精简，我们可以得到相关的信息。
1. Launcher初始化了ExtClassLoader和AppClassLoader。
2. Launcher中并没有看见BootstrapClassLoader，但通过System.getProperty("sun.boot.class.path")得到了字符串bootClassPath,这个应该就是BootstrapClassLoader加载的jar包路径。
我们可以先代码测试一下sun.boot.class.path是什么内容。
ExtClassLoader源码
如果你有足够的好奇心，你应该会对它的源码感兴趣
/* * The class loader used for loading installed extensions. */ static class ExtClassLoader extends URLClassLoader { static { ClassLoader.registerAsParallelCapable(); } /** * 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(); try { // Prior implementations of this doPrivileged() block supplied // aa synthesized ACC via a call to the private method // ExtClassLoader.getContext(). return AccessController.doPrivileged( new PrivilegedExceptionAction<ExtClassLoader>() { public ExtClassLoader run() throws IOException { int len = dirs.length; for (int i = 0; i < len; i++) { MetaIndex.registerDirectory(dirs[i]); } return new ExtClassLoader(dirs); } }); } catch (java.security.PrivilegedActionException e) { throw (IOException) e.getException(); } } 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; } ...... }
我们先前的内容有说过，可以指定-D java.ext.dirs参数来添加和改变ExtClassLoader的加载路径。这里我们通过可以编写测试代码
AppClassLoader源码
/** * The class loader used for loading from java.class.path. * runs in a restricted security context. */ 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 AccessController.doPrivileged( new PrivilegedAction<AppClassLoader>() { public AppClassLoader run() { URL[] urls = (s == null) ? new URL[0] : pathToURLs(path); return new AppClassLoader(urls, extcl); } }); } ...... }
然后创建一个Test.java文件。
每个类加载器都有一个父加载器
每个类加载器都有一个父加载器，比如加载Test.class是由AppClassLoader完成，那么AppClassLoader也有一个父加载器，怎么样获取呢？很简单，通过getParent方法。比如代码可以这样编写：
又是一个空指针异常，这表明ExtClassLoader也没有父加载器。那么，为什么标题又是每一个加载器都有一个父加载器呢？这不矛盾吗？为了解释这一点，我们还需要看下面的一个基础前提。
父加载器不是父类
我们先前已经粘贴了ExtClassLoader和AppClassLoader的代码。
可以看见ExtClassLoader和AppClassLoader同样继承自URLClassLoader，但上面一小节代码中，为什么调用AppClassLoader的getParent()代码会得到ExtClassLoader的实例呢？先从URLClassLoader说起，这个类又是什么？
先上一张类的继承关系图 
URLClassLoader的源码中并没有找到getParent()方法。这个方法在ClassLoader.java中。
public abstract class ClassLoader { // The parent class loader for delegation // Note: VM hardcoded the offset of this field, thus all new fields // must be added *after* it. private final ClassLoader parent; // The class loader for the system // @GuardedBy("ClassLoader.class") private static ClassLoader scl; private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) { this.parent = parent; ... } protected ClassLoader(ClassLoader parent) { this(checkCreateClassLoader(), parent); } protected ClassLoader() { this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader()); } public final ClassLoader getParent() { if (parent == null) return null; return parent; } public static ClassLoader getSystemClassLoader() { initSystemClassLoader(); if (scl == null) { return null; } return scl; } private static synchronized void initSystemClassLoader() { if (!sclSet) { if (scl != null) throw new IllegalStateException("recursive invocation"); sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher(); if (l != null) { Throwable oops = null; //通过Launcher获取ClassLoader scl = l.getClassLoader(); try { scl = AccessController.doPrivileged( new SystemClassLoaderAction(scl)); } catch (PrivilegedActionException pae) { oops = pae.getCause(); if (oops instanceof InvocationTargetException) { oops = oops.getCause(); } } if (oops != null) { if (oops instanceof Error) { throw (Error) oops; } else { // wrap the exception throw new Error(oops); } } } sclSet = true; } } }
我们可以看到getParent()实际上返回的就是一个ClassLoader对象parent，parent的赋值是在ClassLoader对象的构造方法中，它有两个情况：
1. 由外部类创建ClassLoader时直接指定一个ClassLoader为parent。
2. 由getSystemClassLoader()方法生成，也就是在sun.misc.Laucher通过getClassLoader()获取，也就是AppClassLoader。直白的说，一个ClassLoader创建时如果没有指定parent，那么它的parent默认就是AppClassLoader。
我们主要研究的是ExtClassLoader与AppClassLoader的parent的来源，正好它们与Launcher类有关，我们上面已经粘贴过Launcher的部分代码。
public class Launcher { private static URLStreamHandlerFactory factory = new Factory(); private static Launcher launcher = new Launcher(); private static String bootClassPath = System.getProperty("sun.boot.class.path"); public static Launcher getLauncher() { return launcher; } private ClassLoader loader; public Launcher() { // Create the extension class loader ClassLoader extcl; try { 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 { //将ExtClassLoader对象实例传递进去 loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl); } catch (IOException e) { throw new InternalError( "Could not create application class loader", e); } public ClassLoader getClassLoader() { return loader; } 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(); try { // Prior implementations of this doPrivileged() block supplied // aa synthesized ACC via a call to the private method // ExtClassLoader.getContext(). return AccessController.doPrivileged( new PrivilegedExceptionAction<ExtClassLoader>() { public ExtClassLoader run() throws IOException { //ExtClassLoader在这里创建 return new ExtClassLoader(dirs); } }); } catch (java.security.PrivilegedActionException e) { throw (IOException) e.getException(); } } /* * Creates a new ExtClassLoader for the specified directories. */ public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException { super(getExtURLs(dirs), null, factory); } } }
我们需要注意的是
ClassLoader extcl; extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader(); loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
代码已经说明了问题AppClassLoader的parent是一个ExtClassLoader实例。
ExtClassLoader并没有直接找到对parent的赋值。它调用了它的父类也就是URLClassLoder的构造方法并传递了3个参数。
public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException { super(getExtURLs(dirs), null, factory); }
对应的代码
public URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent, URLStreamHandlerFactory factory) { super(parent); }
答案已经很明了了，ExtClassLoader的parent为null。
上面张贴这么多代码也是为了说明AppClassLoader的parent是ExtClassLoader，ExtClassLoader的parent是null。这符合我们之前编写的测试代码。
不过，细心的同学发现，还是有疑问的我们只看到ExtClassLoader和AppClassLoader的创建，那么BootstrapClassLoader呢？
还有，ExtClassLoader的父加载器为null,但是Bootstrap CLassLoader却可以当成它的父加载器这又是为何呢？
我们继续往下进行。
Bootstrap ClassLoader是由C++编写的。
Bootstrap ClassLoader是由C/C++编写的，它本身是虚拟机的一部分，所以它并不是一个JAVA类，也就是无法在java代码中获取它的引用，JVM启动时通过Bootstrap类加载器加载rt.jar等核心jar包中的class文件，之前的int.class,String.class都是由它加载。然后呢，我们前面已经分析了，JVM初始化sun.misc.Launcher并创建Extension ClassLoader和AppClassLoader实例。并将ExtClassLoader设置为AppClassLoader的父加载器。Bootstrap没有父加载器，但是它却可以作用一个ClassLoader的父加载器。比如ExtClassLoader。这也可以解释之前通过ExtClassLoader的getParent方法获取为Null的现象。具体是什么原因，很快就知道答案了。
双亲委托
双亲委托。
我们终于来到了这一步了。
一个类加载器查找class和resource时，是通过“委托模式”进行的，它首先判断这个class是不是已经加载成功，如果没有的话它并不是自己进行查找，而是先通过父加载器，然后递归下去，直到Bootstrap ClassLoader，如果Bootstrap classloader找到了，直接返回，如果没有找到，则一级一级返回，最后到达自身去查找这些对象。这种机制就叫做双亲委托。
整个流程可以如下图所示： 
这张图是用时序图画出来的，不过画出来的结果我却自己都觉得不理想。
大家可以看到2根箭头，蓝色的代表类加载器向上委托的方向，如果当前的类加载器没有查询到这个class对象已经加载就请求父加载器（不一定是父类）进行操作，然后以此类推。直到Bootstrap ClassLoader。如果Bootstrap ClassLoader也没有加载过此class实例，那么它就会从它指定的路径中去查找，如果查找成功则返回，如果没有查找成功则交给子类加载器，也就是ExtClassLoader,这样类似操作直到终点，也就是我上图中的红色箭头示例。
用序列描述一下：
1. 一个AppClassLoader查找资源时，先看看缓存是否有，缓存有从缓存中获取，否则委托给父加载器。
2. 递归，重复第1部的操作。
3. 如果ExtClassLoader也没有加载过，则由Bootstrap ClassLoader出面，它首先查找缓存，如果没有找到的话，就去找自己的规定的路径下，也就是sun.mic.boot.class下面的路径。找到就返回，没有找到，让子加载器自己去找。
4. Bootstrap ClassLoader如果没有查找成功，则ExtClassLoader自己在java.ext.dirs路径中去查找，查找成功就返回，查找不成功，再向下让子加载器找。
5. ExtClassLoader查找不成功，AppClassLoader就自己查找，在java.class.path路径下查找。找到就返回。如果没有找到就让子类找，如果没有子类会怎么样？抛出各种异常。
上面的序列，详细说明了双亲委托的加载流程。我们可以发现委托是从下向上，然后具体查找过程却是自上至下。
我说过上面用时序图画的让自己不满意，现在用框图，最原始的方法再画一次。 
上面已经详细介绍了加载过程，但具体为什么是这样加载，我们还需要了解几个个重要的方法loadClass()、findLoadedClass()、findClass()、defineClass()。
重要方法
loadClass()
JDK文档中是这样写的，通过指定的全限定类名加载class，它通过同名的loadClass(String,boolean)方法。
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
上面是方法原型，一般实现这个方法的步骤是
1. 执行findLoadedClass(String)去检测这个class是不是已经加载过了。
2. 执行父加载器的loadClass方法。如果父加载器为null，则jvm内置的加载器去替代，也就是Bootstrap ClassLoader。这也解释了ExtClassLoader的parent为null,但仍然说Bootstrap ClassLoader是它的父加载器。
3. 如果向上委托父加载器没有加载成功，则通过findClass(String)查找。
如果class在上面的步骤中找到了，参数resolve又是true的话，那么loadClass()又会调用resolveClass(Class)这个方法来生成最终的Class对象。 我们可以从源代码看出这个步骤。
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // 首先，检测是否已经加载 Class<?> c = findLoadedClass(name); if (c == null) { long t0 = System.nanoTime(); try { if (parent != null) { //父加载器不为空则调用父加载器的loadClass c = parent.loadClass(name, false); } else { //父加载器为空则调用Bootstrap Classloader c = findBootstrapClassOrNull(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { // ClassNotFoundException thrown if class not found // from the non-null parent class loader } if (c == null) { // If still not found, then invoke findClass in order // to find the class. long t1 = System.nanoTime(); //父加载器没有找到，则调用findclass c = findClass(name); // this is the defining class loader; record the stats sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0); sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1); sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment(); } } if (resolve) { //调用resolveClass() resolveClass(c); } return c; } }
代码解释了双亲委托。
另外，要注意的是如果要编写一个classLoader的子类，也就是自定义一个classloader，建议覆盖findClass()方法，而不要直接改写loadClass()方法。
另外
if (parent != null) { //父加载器不为空则调用父加载器的loadClass c = parent.loadClass(name, false); } else { //父加载器为空则调用Bootstrap Classloader c = findBootstrapClassOrNull(name); }
前面说过ExtClassLoader的parent为null，所以它向上委托时，系统会为它指定Bootstrap ClassLoader。
自定义ClassLoader
不知道大家有没有发现，不管是Bootstrap ClassLoader还是ExtClassLoader等，这些类加载器都只是加载指定的目录下的jar包或者资源。如果在某种情况下，我们需要动态加载一些东西呢？比如从D盘某个文件夹加载一个class文件，或者从网络上下载class主内容然后再进行加载，这样可以吗？
如果要这样做的话，需要我们自定义一个classloader。
自定义步骤
- 编写一个类继承自ClassLoader抽象类。
- 复写它的
findClass()方法。 - 在
findClass()方法中调用defineClass()。
defineClass()
这个方法在编写自定义classloader的时候非常重要，它能将class二进制内容转换成Class对象，如果不符合要求的会抛出各种异常。
注意点：
一个ClassLoader创建时如果没有指定parent，那么它的parent默认就是AppClassLoader。
上面说的是，如果自定义一个ClassLoader，默认的parent父加载器是AppClassLoader，因为这样就能够保证它能访问系统内置加载器加载成功的class文件。
自定义ClassLoader示例之DiskClassLoader。
假设我们需要一个自定义的classloader,默认加载路径为D:\\lib下的jar包和资源。
我们写编写一个测试用的类文件，Test.java
Test.java
package com.frank.test; public class Test { public void say(){ System.out.println("Say Hello"); } }
然后将它编译过年class文件Test.class放到D:\\lib这个路径下。
DiskClassLoader
我们编写DiskClassLoader的代码。
import java.io.ByteArrayOutputStream; import java.io.File; import java.io.FileInputStream; import java.io.FileNotFoundException; import java.io.IOException; public class DiskClassLoader extends ClassLoader { private String mLibPath; public DiskClassLoader(String path) { // TODO Auto-generated constructor stub mLibPath = path; } @Override protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { // TODO Auto-generated method stub String fileName = getFileName(name); File file = new File(mLibPath,fileName); try { FileInputStream is = new FileInputStream(file); ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream(); int len = 0; try { while ((len = is.read()) != -1) { bos.write(len); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } byte[] data = bos.toByteArray(); is.close(); bos.close(); return defineClass(name,data,0,data.length); } catch (IOException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } return super.findClass(name); } //获取要加载 的class文件名 private String getFileName(String name) { // TODO Auto-generated method stub int index = name.lastIndexOf(\'.\'); if(index == -1){ return name+".class"; }else{ return name.substring(index)+".class"; } } }
我们在findClass()方法中定义了查找class的方法，然后数据通过defineClass()生成了Class对象。
测试
现在我们要编写测试代码。我们知道如果调用一个Test对象的say方法，它会输出”Say Hello”这条字符串。但现在是我们把Test.class放置在应用工程所有的目录之外，我们需要加载它，然后执行它的方法。具体效果如何呢？我们编写的DiskClassLoader能不能顺利完成任务呢？我们拭目以待。
import java.lang.reflect.InvocationTargetException; import java.lang.reflect.Method; public class ClassLoaderTest { public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub //创建自定义classloader对象。 DiskClassLoader diskLoader = new DiskClassLoader("D:\\\\lib"); try { //加载class文件 Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.Test"); if(c != null){ try { Object obj = c.newInstance(); Method method = c.getDeclaredMethod("say",null); //通过反射调用Test类的say方法 method.invoke(obj, null); } catch (InstantiationException | IllegalAccessException | NoSuchMethodException | SecurityException | IllegalArgumentException | InvocationTargetException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } } catch (ClassNotFoundException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } }
我们点击运行按钮，结果显示。
可以看到，Test类的say方法正确执行，也就是我们写的DiskClassLoader编写成功。
回首
讲了这么大的篇幅，自定义ClassLoader才姗姗来迟。 很多同学可能觉得前面有些啰嗦，但我按照自己的思路，我觉得还是有必要的。因为我是围绕一个关键字进行讲解的。
关键字是什么？
关键字 路径
- 从开篇的环境变量
- 到3个主要的JDK自带的类加载器
- 到自定义的ClassLoader
它们的关联部分就是路径，也就是要加载的class或者是资源的路径。
BootStrap ClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader都是加载指定路径下的jar包。如果我们要突破这种限制，实现自己某些特殊的需求，我们就得自定义ClassLoader，自已指定加载的路径，可以是磁盘、内存、网络或者其它。
所以，你说路径能不能成为它们的关键字？
当然上面的只是我个人的看法，可能不正确，但现阶段，这样有利于自己的学习理解。
自定义ClassLoader还能做什么？
突破了JDK系统内置加载路径的限制之后，我们就可以编写自定义ClassLoader，然后剩下的就叫给开发者你自己了。你可以按照自己的意愿进行业务的定制，将ClassLoader玩出花样来。
玩出花之Class解密类加载器
常见的用法是将Class文件按照某种加密手段进行加密，然后按照规则编写自定义的ClassLoader进行解密，这样我们就可以在程序中加载特定了类，并且这个类只能被我们自定义的加载器进行加载，提高了程序的安全性。
下面，我们编写代码。
1.定义加密解密协议
加密和解密的协议有很多种，具体怎么定看业务需要。在这里，为了便于演示，我简单地将加密解密定义为异或运算。当一个文件进行异或运算后，产生了加密文件，再进行一次异或后，就进行了解密。
2.编写加密工具类
import java.io.File; import java.io.FileInputStream; import java.io.FileNotFoundException; import java.io.FileOutputStream; import java.io.IOException; public class FileUtils { public static void test(String path){ File file = new File(path); try { FileInputStream fis = new FileInputStream(file); FileOutputStream fos = new FileOutputStream(path+"en"); int b = 0; int b1 = 0; try { while((b = fis.read()) != -1){ //每一个byte异或一个数字2 fos.write(b ^ 2); } fos.close(); fis.close(); } catch (IOException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } catch (FileNotFoundException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } }
我们再写测试代码
FileUtils.test("D:\\\\lib\\\\Test.class");
然后可以看见路径D:\\\\lib\\\\Test.class下Test.class生成了Test.classen文件。
编写自定义classloader，DeClassLoader
import java.io.ByteArrayOutputStream; import java.io.File; import java.io.FileInputStream; import java.io.IOException; public class DeClassLoader extends ClassLoader { （转）关于Class.getResource和ClassLoader.getResource的路径问题