java的类加载-ClassLoader

最近一个项目需求，实现基于http接口的外部jar包动态类加载。我平台提供标准化的接口，接口的具体实现由业务方实现。业务方根据开发规范，实现接口后，打包成jar文件，上传至平台上，用户调用接口的时候，动态载入jar文件，运行结果返回。整个过程，业务方开发人员通过平台的管理页面配置，并上传实现的jar包，即可把能力添加到我平台上。
  整个项目的一个关键点事如何动态加载类文件，还必须实现动态更新。
  基于这一目标，对java类加载做了具体学习。

类的装载方式

首先我们来认识一下ClassLoader，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。

ClassLoader主要对类的请求提供服务，当JVM需要某类时，它根据名称向ClassLoader要求这个类，然后由ClassLoader返回这个类的class对象。
Classloader就是负责将class加载到JVM中，基于某个加载模型确定到底由谁加载，最后将 Class 字节码重新解析成 JVM 统一要求的对象格式。

JAVA类装载方式，有两种:
1.隐式装载，程序在运行过程中当碰到通过new 等方式生成对象时，隐式调用类装载器加载对应的类到jvm中。
2.显式装载，通过class.forname()，this.getClassLoader().loadClass()等方法，显式加载需要的类。

类的装载过程

JVM加载类的阶段.png

看一下ClassLoader中loadClass方法的实现：
1.调用findLoaderClass查看是否已存在装入的类。存在就直接返回class对象（java中任何类型都有对应的class对象，哪怕是void也有）。
2.findSystemClass查找本地文件系统，根据不同的类装载器，文件系统位置不一样。没有找到则返回ClassNotFoundException.
3.difineClass 接收以字节数组表示的类字节码，并把它转换成 Class 实例
4.resolveClass 链接一个指定的类。（jvm装载类的三个过程为load ,link,initialize）

loadClass方法的默认实现按照以下顺序查找类： 调用findLoadedClass(String) 方法检查这个类是否被加载过 使用父加载器调用 loadClass(String) 方法，如果父加载器为 Null，类加载器装载虚拟机内置的加载器调用 findClass(String) 方法装载类， 如果，按照以上的步骤成功的找到对应的类，并且该方法接收的 resolve 参数的值为 true,那么就调用resolveClass(Class) 方法来处理类。
ClassLoader 的子类最好覆盖 findClass(String) 而不是这个方法。 除非被重写，这个方法默认在整个装载过程中都是同步的（线程安全的）。

类装载器

ClassLoader 在加载类时有一定的层次关系和规则，树状组织结构。在 Java 中，有四种类型的类加载器，分别为：BootStrapClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader 以及用户自定义的 ClassLoader

类加载器层次结构图.png

1.BootStrapClassLoader(引导类加载器) 处于类加载器层次结构的最高层，负责 sun.boot.class.path 路径下类的加载，默认为 jre/lib 目录下的核心 API 或 -Xbootclasspath 选项指定的 jar 包。
2.ExtClassLoader (扩展类加载器)的加载路径为 java.ext.dirs，默认为 jre/lib/ext 目录或者 -Djava.ext.dirs 指定目录下的 jar 包加载。
3.AppClassLoader(系统类加载器) 的加载路径为 java.class.path，默认为环境变量 CLASSPATH 中设定的值。也可以通过 -classpath 选型进行指定。
4.用户自定义 ClassLoader 可以根据用户的需要定制自己的类加载过程，在运行期进行指定类的动态实时加载。

一般来说，这四种类加载器会形成一种父子关系，高层为低层的父加载器。在进行类加载时，首先会自底向上挨个检查是否已经加载了指定类，如果已经加载则直接返回该类的引用。如果到最高层也没有加载过指定类，那么会自顶向下挨个尝试加载，直到用户自定义类加载器，如果还不能成功，就会抛出异常。

对于同一个类加载器实例来说，名字相同的类只能存在一个，并且仅加载一次。不管该类有没有变化，下次再需要加载时，它只是从自己的缓存中直接返回已经加载过的类引用。

类加载原理——双亲委托模型

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？
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 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。

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。

Java装载类使用“全盘负责委托机制”。“全盘负责”是指当一个ClassLoder装载一个类时，该类所依赖及引用的类也由这个ClassLoder载入（除非显示的使用另外一个ClassLoder）；“委托机制”是指先委托父类装载器寻找目标类，只有在找不到的情况下才从自己的类路径中查找并装载目标类。

线程上下文类加载器

每个运行中的线程都有一个成员ContextClassLoader，用来在运行时动态地载入其它类，可以使用方法Thread.currentThread().setContextClassLoader(...);更改当前线程的contextClassLoader，来改变其载入类的行为；也可以通过方法Thread.currentThread().getContextClassLoader()来获得当前线程的ClassLoader。
  Java 应用运行的初始线程的上下文类加载器是系统类加载器。在线程中运行的代码可以通过此类加载器来加载类和资源。

实际上，在Java应用中所有程序都运行在线程里，如果在程序中没有手工设置过ClassLoader，对于一般的java类如下两种方法获得的ClassLoader通常都是同一个。

this.getClass.getClassLoader();
Thread.currentThread().getContextClassLoader();
方法一得到的Classloader是静态的，表明类的载入者是谁;
方法二得到的Classloader是动态的，谁执行（某个线程），就是那个执行者的Classloader。
对于单例模式的类，静态类等，载入一次后，这个实例会被很多程序（线程）调用，对于这些类，载入的Classloader和执行线程的Classloader通常都不同。

WEB容器类加载器

对于运行在 Java EE容器中的 Web 应用来说，类加载器的实现方式与一般的 Java 应用有所不同。不同的 Web 容器的实现方式也会有所不同。
  以 Apache Tomcat 来说，每个 Web 应用都有一个对应的类加载器实例。该类加载器也使用代理模式，所不同的是它是首先尝试去加载某个类，如果找不到再代理给父类加载器。这与一般类加载器的顺序是相反的。这是 Java Servlet 规范中的推荐做法，其目的是使得 Web 应用自己的类的优先级高于 Web 容器提供的类。
  这种代理模式的一个例外是：Java 核心库的类是不在查找范围之内的。这也是为了保证 Java 核心库的类型安全。

对于WEB APP线程，它的contextClassLoader是WebAppClassLoader
对于Tomcat Server线程，它的contextClassLoader是CatalinaClassLoader

自定义类加载器

默认的classloader只能加载指定目录下的jar和class，如果想加载其它位置的类或jar时，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

文件类加载器
  加载存储在文件系统上的 Java 字节代码。
  类 FileSystemClassLoader继承自类java.lang.ClassLoader。为了保证类加载器都正确实现代理模式，在开发自己的类加载器时，最好不要覆写 loadClass()方法，而是覆写findClass()方法。
  类 FileSystemClassLoader的 findClass()方法首先根据类的全名在硬盘上查找类的字节代码文件（.class 文件），然后读取该文件内容，最后通过 defineClass()方法来把这些字节代码转换成 java.lang.Class类的实例。

public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader
{
    private String rootDir;

    public FileSystemClassLoader(String rootDir){
        this.rootDir = rootDir;
    }

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = getClassData(name);
        if (classData == null){
            throw new ClassNotFoundException();
        }
        else {
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }

    private byte[] getClassData(String className) {
        String path = classNameToPath(className);
        try {
            InputStream ins = new FileInputStream(path);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int bufferSize = 4096;
            byte[] buffer = new byte[bufferSize];
            int bytesNumRead = 0;
            while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1){
                baos.write(buffer, 0, bytesNumRead);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    private String classNameToPath(String className) {
        return rootDir + File.separatorChar + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
    }
}

网络类加载器
  一个网络类加载器来说明如何通过类加载器来实现组件的动态更新。即基本的场景是：Java 字节代码（.class）文件存放在服务器上，客户端通过网络的方式获取字节代码并执行。当有版本更新的时候，只需要替换掉服务器上保存的文件即可。通过类加载器可以比较简单的实现这种需求。
  类 NetworkClassLoader 负责通过网络下载 Java 类字节代码并定义出 Java 类。它的实现与FileSystemClassLoader 类似。在通过 NetworkClassLoader 加载了某个版本的类之后，一般有两种做法来使用它。第一种做法是使用 Java 反射 API。另外一种做法是使用接口。

OSGI动态模块系统

osgi是java动态化模块系统，动态模块部署。面向服务和基于组件的运行环境。组件尽可能解耦，能让组件动态的发现其他组件。
这个有兴趣也可以去研究关注一下。

关于《java类的热替换》参考：
https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-hotswapcls/