Android ClassLoader与JAVA ClassLoader详解及对比

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：[java] view plain copyURL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();  
for (int i = 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。[java] view plain copySystem.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JAVA_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[java] view plain copypackage org.classloader.simple;  
  
public class NetClassLoaderSimple {  
      
    private NetClassLoaderSimple instance;  
  
    public void setNetClassLoaderSimple(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）[java] view plain copypackage classloader;  
  
public class NewworkClassLoaderTest {  
  
    public static void main(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 = 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] view plain copyClassLoader 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（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。

Android类加载器ClassLoader介绍

Android的Dalvik/ART虚拟机如同标准JAVA的JVM虚拟机一样，在运行程序时首先需要将对应的类加载到内存中。因此，我们可以利用这一点，在程序运行时手动加载Class，从而达到代码动态加载可执行文件的目的。Android的Dalvik/ART虚拟机虽然与标准Java的JVM虚拟机不一样，ClassLoader具体的加载细节不一样，但是工作机制是类似的，也就是说在Android中同样可以采用类似的动态加载插件的功能，只是在Android应用中动态加载一个插件的工作要比Eclipse加载一个插件复杂许多（这点后面在解释说明）。ClassLoader实例有多个动态加载的基础是ClassLoader，从名字也可以看出，ClassLoader就是专门用来处理类加载工作的，所以这货也叫类加载器，而且一个运行中的APP 不仅只有一个类加载器。其实，在Android系统启动的时候会创建一个Boot类型的ClassLoader实例，用于加载一些系统Framework层级需要的类，我们的Android应用里也需要用到一些系统的类，所以APP启动的时候也会把这个Boot类型的ClassLoader传进来。此外，APP也有自己的类，这些类保存在APK的dex文件里面，所以APP启动的时候，也会创建一个自己的ClassLoader实例，用于加载自己dex文件中的类。

@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
ClassLoader classLoader = getClassLoader();
if (classLoader != null) {
Log.i(TAG, "[onCreate] classLoader " + i + " : " + classLoader.toString());
while (classLoader.getParent() != null) {
classLoader = classLoader.getParent();
Log.i(TAG, "[onCreate] classLoader " + i + " : " + classLoader.toString());
}
}
}

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[onCreate] classLoader 1 : dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/me.kaede.anroidclassloadersample-1/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/vendor/lib, /system/lib]]]
[onCreate] classLoader 2 : java.lang.BootClassLoader@14af4e32

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可以看见有2个Classloader实例，一个是BootClassLoader（系统启动的时候创建的），另一个是PathClassLoader（应用启动时创建的，用于加载“/data/app/me.kaede.anroidclassloadersample-1/base.apk”里面的类）。由此也可以看出，一个运行的Android应用至少有2个ClassLoader。创建自己ClassLoader实例 
动态加载外部的dex文件的时候，我们也可以使用自己创建的ClassLoader实例来加载dex里面的Class，不过ClassLoader的创建方式有点特殊，我们先看看它的构造方法

/*      * constructor for the BootClassLoader which needs parent to be null.      */
ClassLoader(ClassLoader parentLoader, boolean nullAllowed) {
if (parentLoader == null && !nullAllowed) {
throw new NullPointerException("parentLoader == null && !nullAllowed");
}
parent = parentLoader;
}

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创建一个ClassLoader实例的时候，需要使用一个现有的ClassLoader实例作为新创建的实例的Parent。这样一来，一个Android应用，甚至整个Android系统里所有的ClassLoader实例都会被一棵树关联起来，这也是ClassLoader的 双亲代理模型（Parent-Delegation Model）的特点。ClassLoader双亲代理模型加载类的特点和作用 
JVM中ClassLoader通过defineClass方法加载jar里面的Class，而Android中这个方法被弃用了。

@Deprecated
protected final Class<?> defineClass(byte[] classRep, int offset, int length) throws ClassFormatError {
throw new UnsupportedOperationException("can't load this type of class file");
}

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取而代之的是loadClass方法

public Class<?> loadClass(String className) throws ClassNotFoundException {
return loadClass(className, false);
}

protected Class<?> loadClass(String className, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
Class<?> clazz = findLoadedClass(className);
if (clazz == null) {
ClassNotFoundException suppressed = null;
try {
clazz = parent.loadClass(className, false);
} catch (ClassNotFoundException e) {
suppressed = e;
}
if (clazz == null) {
try {
clazz = findClass(className);
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.addSuppressed(suppressed);
throw e;
}
}
}
return clazz;

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从源码中我们也可以看出，loadClass方法在加载一个类的实例的时候 
1) 会先查询当前ClassLoader实例是否加载过此类，有就返回；2) 如果没有。查询Parent是否已经加载过此类，如果已经加载过，就直接返回Parent加载的类；3) 如果继承路线上的ClassLoader都没有加载，才由Child执行类的加载工作；这样做有个明显的特点，如果一个类被位于树根的ClassLoader加载过，那么在以后整个系统的生命周期内，这个类永远不会被重新加载。

使用ClassLoader需要注意的问题

如果你希望通过动态加载的方式，加载一个新版本的dex文件，使用里面的新类替换原有的旧类，从而修复原有类的BUG，那么你必须保证在加载新类的时候，旧类还没有被加载，因为如果已经加载过旧类，那么ClassLoader会一直优先使用旧类。如果旧类总是优先于新类被加载，我们也可以使用一个与加载旧类的ClassLoader没有树的继承关系的另一个ClassLoader来加载新类，因为ClassLoader只会检查其Parent有没有加载过当前要加载的类，如果两个ClassLoader没有继承关系，那么旧类和新类都能被加载。 
不过这样一来又有另一个问题了，在Java中，只有当两个实例的类名、包名以及加载其的ClassLoader都相同，才会被认为是同一种类型。上面分别加载的新类和旧类，虽然包名和类名都完全一样，但是由于加载的ClassLoader不同，所以并不是同一种类型，在实际使用中可能会出现类型不符异常。同一个Class = 相同的 ClassName + PackageName + ClassLoader这个在采用动态加载功能的开发中容易出现，请注意。

DexClassLoader与PathClassLoader

平时开发的时候，使用DexClassLoader就够用了，但是我们不妨挖一下这两者具体细节上的区别。

class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, String libraryPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, new File(optimizedDirectory), libraryPath, parent);
}
}

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class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, null, null, parent);
}

public PathClassLoader(String dexPath, String libraryPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, null, libraryPath, parent);
}
}

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这两者只是简单的对BaseDexClassLoader做了一下封装，具体的实现还是在父类里。不过这里也可以看出，PathClassLoader的optimizedDirectory只能是null，进去BaseDexClassLoader看看这个参数是干什么的

public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory, String libraryPath, ClassLoader parent) {
super(parent);
this.originalPath = dexPath;
this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, libraryPath, optimizedDirectory);
}

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这里创建了一个DexPathList实例，进去看看

public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath, String libraryPath, File optimizedDirectory) {
……
this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory);
}

private static Element[] makeDexElements(ArrayList<File> files, File optimizedDirectory) {
ArrayList<Element> elements = new ArrayList<Element>();
for (File file : files) {
ZipFile zip = null;
DexFile dex = null;
String name = file.getName();
if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory);
} else if (name.endsWith(APK_SUFFIX) || name.endsWith(JAR_SUFFIX) || name.endsWith(ZIP_SUFFIX)) {
zip = new ZipFile(file);
}
……
if ((zip != null) || (dex != null)) {
elements.add(new Element(file, zip, dex));
}
} return elements.toArray(new Element[elements.size()]);
}

private static DexFile loadDexFile(File file, File optimizedDirectory) throws IOException {
if (optimizedDirectory == null) {
return new DexFile(file);
} else {
String optimizedPath = optimizedPathFor(file, optimizedDirectory);
return DexFile.loadDex(file.getPath(), optimizedPath, 0);
}
}

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/**
* Converts a dex/jar file path and an output directory to an      * output file path for an associated optimized dex file.
*/
private static String optimizedPathFor(File path, File optimizedDirectory) {
String fileName = path.getName();
if (!fileName.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
int lastDot = fileName.lastIndexOf(".");
if (lastDot < 0) {
fileName += DEX_SUFFIX;
} else {
StringBuilder sb = new StringBuilder(lastDot + 4);
sb.append(fileName, 0, lastDot);
sb.append(DEX_SUFFIX);
fileName = sb.toString();
}
}
File result = new File(optimizedDirectory, fileName);
return result.getPath();
}

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看到这里我们明白了，optimizedDirectory是用来缓存我们需要加载的dex文件的，并创建一个DexFile对象，如果它为null，那么会直接使用dex文件原有的路径来创建DexFile对象。optimizedDirectory必须是一个内部存储路径，还记得我们之前说过的，无论哪种动态加载，加载的可执行文件一定要存放在内部存储。DexClassLoader可以指定自己的optimizedDirectory，所以它可以加载外部的dex，因为这个dex会被复制到内部路径的optimizedDirectory；而PathClassLoader没有optimizedDirectory，所以它只能加载内部的dex，这些大都是存在系统中已经安装过的apk里面的。

加载类的过程

上面还只是创建了类加载器的实例，其中创建了一个DexFile实例，用来保存dex文件，我们猜想这个实例就是用来加载类的。 
Android中，ClassLoader用loadClass方法来加载我们需要的类

public Class<?> loadClass(String className) throws ClassNotFoundException {
return loadClass(className, false);
}

protected Class<?> loadClass(String className, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
Class<?> clazz = findLoadedClass(className);
if (clazz == null) {
ClassNotFoundException suppressed = null;
try {
clazz = parent.loadClass(className, false);
} catch (ClassNotFoundException e) {
suppressed = e;
}
if (clazz == null) {
try {
clazz = findClass(className);
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.addSuppressed(suppressed);
throw e;
}
}
}
return clazz;
}

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loadClass方法调用了findClass方法，而BaseDexClassLoader重载了这个方法，得到BaseDexClassLoader看看

@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
Class clazz = pathList.findClass(name);
if (clazz == null) {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
return clazz;
}

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结果还是调用了DexPathList的findClass

public Class findClass(String name) {
for (Element element : dexElements) {
DexFile dex = element.dexFile;
if (dex != null) {
Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext);
if (clazz != null) {
return clazz;
}
}
}
return null;
}

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这里遍历了之前所有的DexFile实例，其实也就是遍历了所有加载过的dex文件，再调用loadClassBinaryName方法一个个尝试能不能加载想要的类，真是简单粗暴

public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader) {
return defineClass(name, loader, mCookie);
}

private native static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, int cookie);

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看到这里想必大家都明白了，loadClassBinaryName中调用了Native方法defineClass加载类。至此，ClassLoader的创建和加载类的过程的完成了。有趣的是，标准JVM中，ClassLoader是用defineClass加载类的，而Android中defineClass被弃用了，改用了loadClass方法，而且加载类的过程也挪到了DexFile中，在DexFile中加载类的具体方法也叫defineClass，不知道是Google故意写成这样的还是巧合。**

Android程序比起使用动态加载时麻烦在哪里

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通过上面的分析，我们知道使用ClassLoader动态加载一个外部的类是非常容易的事情，所以很容易就能实现动态加载新的可执行代码的功能，但是比起一般的Java程序，在Android程序中使用动态加载主要有两个麻烦的问题：1) Android中许多组件类（如Activity、Service等）是需要在Manifest文件里面注册后才能工作的（系统会检查该组件有没有注册），所以即使动态加载了一个新的组件类进来，没有注册的话还是无法工作；2) Res资源是Android开发中经常用到的，而Android是把这些资源用对应的R.id注册好，运行时通过这些ID从Resource实例中获取对应的资源。如果是运行时动态加载进来的新类，那类里面用到R.id的地方将会抛出找不到资源或者用错资源的异常，因为新类的资源ID根本和现有的Resource实例中保存的资源ID对不上；