深入分析Java ClassLoader原理

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

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：

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

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。

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


Extension ClassLoader：称为扩展类加载器，负责加载Java的扩展类库，默认加载J***A_HOME/jre/lib/ext/目下的所有jar。

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

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packageorg.classloader.simple; publicclassNetClassLoaderSimple { privateNetClassLoaderSimple instance; publicvoidsetNetClassLoaderSimple(Object obj) { this.instance = (NetClassLoaderSimple)obj; } }

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）

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packageclassloader; publicclassNewworkClassLoaderTest { publicstaticvoidmain(String[] args) { try{ //测试加载网络中的class文件 String rootUrl ="http://localhost:8080/httpweb/classes"; String className ="org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple"; NetworkClassLoader ncl1 =newNetworkClassLoader(rootUrl); NetworkClassLoader ncl2 =newNetworkClassLoader(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：

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ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader(); //获得加载ClassLoaderTest.class这个类的类加载器 while(loader !=null) { System.out.println(loader); loader = loader.getParent(); //获得父类加载器的引用 } 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（J***A_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（J***A_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J***A_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：

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[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$1from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] [Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] [Path C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes] [Loaded classloader.ClassLoaderTest from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes] null //这是打印的结果 C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar; C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar; C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar; C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes;c:\ClassLoaderTest.jar //这一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));打印出来的。这个路径就是Bootstrcp ClassLoader默认搜索类的路径 [Loaded java.lang.Shutdown from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] [Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]

方式2：将ClassLoaderTest.jar解压后，放到J***A_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Network[b]ClassLoader，用于加载网络上的class文件[/b]

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packageclassloader; importjava.io.ByteArrayOutputStream; importjava.io.InputStream; importjava.net.URL; /** * 加载网络class的ClassLoader */ publicclassNetworkClassLoaderextendsClassLoader { privateString rootUrl; publicNetworkClassLoader(String rootUrl) { this.rootUrl = rootUrl; } @Override protectedClass<?> findClass(String name)throwsClassNotFoundException { 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) { thrownewClassNotFoundException(); } clazz = defineClass(name, classData,0, classData.length); //将class的字节码数组转换成Class类的实例 //} returnclazz; } privatebyte[] getClassData(String name) { InputStream is =null; try{ String path = classNameToPath(name); URL url =newURL(path); byte[] buff =newbyte[1024*4]; intlen = -1; is = url.openStream(); ByteArrayOutputStream baos =newByteArrayOutputStream(); while((len = is.read(buff)) != -1) { baos.write(buff,0,len); } returnbaos.toByteArray(); }catch(Exception e) { e.printStackTrace(); }finally{ if(is !=null) { try{ is.close(); }catch(IOException e) { e.printStackTrace(); } } } returnnull; } privateString classNameToPath(String name) { returnrootUrl +"/"+ name.replace(".","/") +".class"; } }

测试类：

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packageclassloader; publicclassClassLoaderTest { publicstaticvoidmain(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 =newNetworkClassLoader(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

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importjava.io.IOException; importjava.io.PrintWriter; importjavax.servlet.ServletException; importjavax.servlet.http.HttpServlet; importjavax.servlet.http.HttpServletRequest; importjavax.servlet.http.HttpServletResponse; publicclassClassLoaderServletTestextendsHttpServlet { publicvoiddoGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throwsServletException, 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(); } publicvoiddoPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throwsServletException, IOException { this.doGet(request, response); } }

3、配置Servlet，并启动服务

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4、访问Servlet，获得显示结果