深入分析Java ClassLoader原理

阿新 • • 發佈：2017-07-27

lec version 虛擬機 open rdl nds str rac pro

一、什麽是ClassLoader?

大家都知道。當我們寫好一個Java程序之後。不是管是CS還是BS應用，都是由若幹個.class文件組織而成的一個完整的Java應用程序，當程序在執行時，即會調用該程序的一個入口函數來調用系統的相關功能，而這些功能都被封裝在不同的class文件其中，所以常常要從這個class文件裏要調用另外一個class文件裏的方法。假設另外一個文件不存在的，則會引發系統異常。

而程序在啟動的時候。並不會一次性載入程序所要用的全部class文件，而是依據程序的須要。通過Java的類載入機制（ClassLoader）來動態載入某個class文件到內存其中的，從而僅僅有class文件被載入到了內存之後，才幹被其他class所引用。所以ClassLoader就是用來動態載入class文件到內存其中用的。

二、Java默認提供的三個ClassLoader

BootStrap ClassLoader：稱為啟動類載入器，是Java類載入層次中最頂層的類載入器。負責載入JDK中的核心類庫，如：rt.jar、resources.jar、charsets.jar等。可通過例如以下程序獲得該類載入器從哪些地方載入了相關的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());  
}
```
下面內容是上述程序從本機JDK環境所獲得的結果：
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/
事實上上述結果也是通過查找sun.boot.class.path這個系統屬性所得知的。
```
System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));
```
打印結果：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
Extension ClassLoader：稱為擴展類載入器，負責載入Java的擴展類庫，默認載入JAVA_HOME/jre/lib/ext/目下的全部jar。
App ClassLoader：稱為系統類載入器。負責載入應用程序classpath文件夾下的全部jar和class文件。

註意： 除了Java默認提供的三個ClassLoader之外，用戶還能夠依據須要定義自已的ClassLoader，而這些自己定義的ClassLoader都必須繼承自java.lang.ClassLoader類，也包含Java提供的另外二個ClassLoader（Extension ClassLoader和App ClassLoader）在內。可是Bootstrap ClassLoader不繼承自ClassLoader，由於它不是一個普通的Java類。底層由C++編寫，已嵌入到了JVM內核其中。當JVM啟動後，Bootstrap ClassLoader也隨著啟動，負責載入完核心類庫後。並構造Extension ClassLoader和App ClassLoader類載入器。

三、ClassLoader載入類的原理

1、原理介紹

ClassLoader使用的是雙親托付模型來搜索類的，每一個ClassLoader實例都有一個父類載入器的引用（不是繼承的關系，是一個包括的關系），虛擬機內置的類載入器（Bootstrap ClassLoader）本身沒有父類載入器。但能夠用作其他ClassLoader實例的的父類載入器。當一個ClassLoader實例須要載入某個類時，它會試圖親自搜索某個類之前，先把這個任務托付給它的父類載入器，這個過程是由上至下依次檢查的。首先由最頂層的類載入器Bootstrap ClassLoader試圖載入，假設沒載入到，則把任務轉交給Extension ClassLoader試圖載入，假設也沒載入到。則轉交給App ClassLoader 進行載入，假設它也沒有載入得到的話，則返回給托付的發起者，由它到指定的文件系統或網絡等URL中載入該類。

假設它們都沒有載入到這個類時。則拋出ClassNotFoundException異常。否則將這個找到的類生成一個類的定義。並將它載入到內存其中。最後返回這個類在內存中的Class實例對象。

2、為什麽要使用雙親托付這樣的模型呢？

由於這樣能夠避免反復載入。當父親已經載入了該類的時候，就沒有必要子ClassLoader再載入一次。

考慮到安全因素。我們試想一下。假設不使用這樣的托付模式。那我們就能夠隨時使用自己定義的String來動態替代java核心api中定義的類型，這樣會存在很大的安全隱患，而雙親托付的方式，就能夠避免這樣的情況。由於String已經在啟動時就被引導類載入器（Bootstrcp ClassLoader）載入，所以用戶自己定義的ClassLoader永遠也無法載入一個自己寫的String。除非你改變JDK中ClassLoader搜索類的默認算法。

3、 可是JVM在搜索類的時候，又是怎樣判定兩個class是同樣的呢？

JVM在判定兩個class是否同樣時。不僅要推斷兩個類名是否同樣。並且要推斷是否由同一個類載入器實例載入的。僅僅有兩者同一時候滿足的情況下，JVM才覺得這兩個class是同樣的。就算兩個class是同一份class字節碼。假設被兩個不同的ClassLoader實例所載入，JVM也會覺得它們是兩個不同class。

比方網絡上的一個Java類org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple，javac編譯之後生成字節碼文件NetClassLoaderSimple.class，ClassLoaderA和ClassLoaderB這兩個類載入器並讀取了NetClassLoaderSimple.class文件。並分別定義出了java.lang.Class實例來表示這個類。對於JVM來說。它們是兩個不同的實例對象，但它們確實是同一份字節碼文件，假設試圖將這個Class實例生成詳細的對象進行轉換時。就會拋執行時異常java.lang.ClassCaseException，提示這是兩個不同的類型。如今通過實例來驗證上述所描寫敘述的是否正確：

1）、在webserver上建一個org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple.java類

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

org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple類的setNetClassLoaderSimple方法接收一個Object類型參數。並將它強制轉換成org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple類型。

2）、測試兩個class是否同樣

package classloader;  
   
public class NewworkClassLoaderTest {  
   
    public static void main(String[] args) {  
        try {  
            //測試載入網絡中的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();  
        }  
    }  
       
}

首先獲得網絡上一個class文件的二進制名稱，然後通過自己定義的類載入器NetworkClassLoader創建兩個實例。並依據網絡地址分別載入這份class，並得到這兩個ClassLoader實例載入後生成的Class實例clazz1和clazz2。最後將這兩個Class實例分別生成詳細的實例對象obj1和obj2，再通過反射調用clazz1中的setNetClassLoaderSimple方法。

3）、查看測試結果

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結論：從結果中能夠看出。盡管是同一份class字節碼文件，可是因為被兩個不同的ClassLoader實例所載入，所以JVM覺得它們就是兩個不同的類。

4、ClassLoader的體系架構：

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驗證ClassLoader載入類的原理：

測試1：打印ClassLoader類的層次結構。請看以下這段代碼：

ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();    //獲得載入ClassLoaderTest.class這個類的類載入器  
while(loader != null) {  
    System.out.println(loader);  
    loader = loader.getParent();    //獲得父類載入器的引用  
}  
System.out.println(loader);

打印結果：

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第一行結果說明：ClassLoaderTest的類載入器是AppClassLoader。

第二行結果說明：AppClassLoader的類加器是ExtClassLoader，即parent=ExtClassLoader。

第三行結果說明：ExtClassLoader的類加器是Bootstrap ClassLoader，由於Bootstrap ClassLoader不是一個普通的Java類，所以ExtClassLoader的parent=null，所以第三行的打印結果為null就是這個原因。

測試2：將ClassLoaderTest.class打包成ClassLoaderTest.jar。放到Extension ClassLoader的載入文件夾下（JAVA_HOME/jre/lib/ext）。然後又一次執行這個程序。得到的結果會是什麽樣呢？

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打印結果：

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打印結果分析：

為什麽第一行的結果是ExtClassLoader呢？

由於ClassLoader的托付模型機制，當我們要用ClassLoaderTest.class這個類的時候，AppClassLoader在試圖載入之前，先托付給Bootstrcp ClassLoader，Bootstracp ClassLoader發現自己沒找到，它就告訴ExtClassLoader，兄弟。我這裏沒有這個類。你去載入看看。然後Extension ClassLoader拿著這個類去它指定的類路徑（JAVA_HOME/jre/lib/ext）試圖載入，唉，它發如今ClassLoaderTest.jar這樣一個文件裏包括ClassLoaderTest.class這種一個文件。然後它把找到的這個類載入到內存其中。並生成這個類的Class實例對象。最後把這個實例返回。所以ClassLoaderTest.class的類載入器是ExtClassLoader。

第二行的結果為null，是由於ExtClassLoader的父類載入器是Bootstrap ClassLoader。

測試3：用Bootstrcp ClassLoader來載入ClassLoaderTest.class。有兩種方式：

1、在jvm中加入-Xbootclasspath參數。指定Bootstrcp ClassLoader載入類的路徑，並追加我們自已的jar（ClassTestLoader.jar）

2、將class文件放到JAVA_HOME/jre/classes/文件夾下（上面有提到）

方式1：（我用的是Eclipse開發工具，用命令行是在java命令後面加入-Xbootclasspath參數）

打開Run配置對話框：

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配置好如圖中所述的參數後。又一次執行程序。產的結果例如以下所看到的：（類載入的過程，僅僅摘下了一部份）

打印結果：

[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$1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Path C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]  
[Loaded classloader.ClassLoaderTest from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]  
null  //這是打印的結果  
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;  
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;  
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;  
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes;c:\ClassLoaderTest.jar    
//這一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));打印出來的。這個路徑就是Bootstrcp ClassLoader默認搜索類的路徑  
[Loaded java.lang.Shutdown from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.

方式2：將ClassLoaderTest.jar解壓後，放到JAVA_HOME/jre/classes文件夾下。例如以下圖所看到的：

提示：jre文件夾下默認沒有classes文件夾，須要自己手動創建一個

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打印結果：

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從結果中能夠看出。兩種方式都實現了將ClassLoaderTest.class由Bootstrcp ClassLoader載入成功了。

四、定義自已的ClassLoader

既然JVM已經提供了默認的類載入器。為什麽還要定義自已的類載入器呢？

由於Java中提供的默認ClassLoader，僅僅載入指定文件夾下的jar和class，假設我們想載入其他位置的類或jar時，比方：我要載入網絡上的一個class文件，通過動態載入到內存之後，要調用這個類中的方法實現我的業務邏輯。

在這種情況下。默認的ClassLoader就不能滿足我們的需求了，所以須要定義自己的ClassLoader。

定義自已的類載入器分為兩步：

1、繼承java.lang.ClassLoader

2、重寫父類的findClass方法

讀者可能在這裏有疑問。父類有那麽多方法，為什麽偏偏僅僅重寫findClass方法？

由於JDK已經在loadClass方法中幫我們實現了ClassLoader搜索類的算法。當在loadClass方法中搜索不到類時，loadClass方法就會調用findClass方法來搜索類。所以我們僅僅需重寫該方法就可以。

如沒有特殊的要求，一般不建議重寫loadClass搜索類的算法。下圖是API中ClassLoader的loadClass方法：

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演示樣例：自己定義一個NetworkClassLoader。用於載入網絡上的class文件

ackage classloader;  
   
import java.io.ByteArrayOutputStream;  
import java.io.InputStream;  
import java.net.URL;  
   
/** 
 * 載入網絡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); // 父類已載入     
        //if (clazz == null) {  //檢查該類是否已被載入過  
            byte[] classData = getClassData(name);  //依據類的二進制名稱,獲得該class文件的字節碼數組  
            if (classData == null) {  
                throw new ClassNotFoundException();  
            }  
            clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length);  //將class的字節碼數組轉換成Class類的實例  
        //}   
        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";  
    }  
   
}

測試類：

package classloader;  
   
public class ClassLoaderTest {  
   
    public static void main(String[] args) {  
        try {  
            /*ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();  //獲得ClassLoaderTest這個類的類載入器 
            while(loader != null) { 
                System.out.println(loader); 
                loader = loader.getParent();    //獲得父載入器的引用 
            } 
            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();  
        }  
    }  
       
}

打印結果：

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下圖是我機器上webserver的文件夾結構：

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眼下經常使用webserver中都定義了自己的類載入器，用於載入web應用指定文件夾下的類庫（jar或class）。如：Weblogic、Jboss、tomcat等。以下我以Tomcat為例，展示該web容器都定義了哪些個類載入器：

1、新建一個webprojecthttpweb

2、新建一個ClassLoaderServletTest，用於打印web容器中的ClassLoader層次結構

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。並啟動服務

<?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、訪問Servlet，獲得顯示結果

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