深入分析Java ClassLoader原理

ClassLoader？

一个Java程序之后由若干个.class文件组织而成。程序运行时，即会调用该程序的一个入口方法来调用程序的相关功能，这些方法封装在不同的class文件中，所以经常要从一个class文件中调用另外一个class文件中的方法（这个class文件不存在，则会引发系统异常）。程序启动的时候，并不会一次性加载程序所用用的所有class文件，而是根据程序需要通过ClassLoader动态加载class文件。

Java默认提供的三个ClassLoader

BootStrap ClassLoader

负责加载JDK中的核心类库，如：rt.jar、resources.jar、charsets.jar等，称为启动类加载器，是Java类加载层次中最顶层的类加载器。

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：

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

结果：

file:/usr/lib/jvm/java-7-openjdk-amd64/jre/lib/resources.jar
file:/usr/lib/jvm/java-7-openjdk-amd64/jre/lib/rt.jar
file:/usr/lib/jvm/java-7-openjdk-amd64/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/usr/lib/jvm/java-7-openjdk-amd64/jre/lib/jsse.jar
file:/usr/lib/jvm/java-7-openjdk-amd64/jre/lib/jce.jar
file:/usr/lib/jvm/java-7-openjdk-amd64/jre/lib/charsets.jar
file:/usr/lib/jvm/java-7-openjdk-amd64/jre/lib/rhino.jar
file:/usr/lib/jvm/java-7-openjdk-amd64/jre/lib/jfr.jar
file:/usr/lib/jvm/java-7-openjdk-amd64/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。

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

Extension ClassLoader

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，称为扩展类加载器。

App ClassLoader

负责加载应用程序classpath目录下的所有jar和class文件，称为系统类加载器。

自定义ClassLoader

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。

ClassLoader加载类的原理

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。

为什么要使用双亲委托这种模型呢？

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。

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。

所以，两个份相同的class文件放在了不同的地方，只有在他们被不同的ClassLoader加载时，他们才是不同的。

查看验证

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

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。

实例：

package classloader;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.URL;
/**
* 加载网络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); // 父类已加载
//if (clazz == null) {  //检查该类是否已被加载过
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
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";
}

}

测试类

package classloader;
public class ClassLoaderTest {
public static void main(String[] args) {
try {
/*ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();  //获得ClassLoaderTest这个类的类加载器
while(loader != null) {
System.out.println(loader);
loader = loader.getParent();    //获得父加载器的引用
}
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();
}
}
}