ClassLoader 介绍

ClassLoader介绍

什么是ClassLoader?

一个Java程序，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。

Java默认提供的三个ClassLoader

1. 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，
2. 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。
3. 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。

ClassLoader的加载原理

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。

双亲委托模型

双亲委托模型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。

JVM如何判定两个class相同

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。

ClassLoader的体系架构：

URLClassLoader

首先介绍下URLClassLoader的简单用法，下面是我搜索资料的得出一些简单用法。

public static void main(String[] args) throws MalformedURLException {
    File file = new File("D:\\priv\\alanice\\learning\\other\\Secret.class");
    URL url = file.toURI().toURL();
    System.out.println(url);
    URLClassLoader loader = new URLClassLoader(new URL[]{url}, Thread.currentThread().getContextClassLoader());
    try {
        Class c = loader.loadClass("priv.alanice.learning.other.Secret");
        System.out.println(ObjectMethodAnalyzer.toString(c));
    } catch (ClassNotFoundException e) {
        System.out.println("Secret not found!");
        e.printStackTrace();
    }
}

可惜的是这个没跑通，显示ClassNotFound，不知道具体是什么原因，难道必须把class打包成jar才能用吗？希望在以后的学习里能了解更深入点。

自定义ClassLoader

前文提到我们可以通过继承ClassLoader或者URLClassLoader来自定义我们自己的ClassLoader，这里我们就实现一个加载一个被加密的class文件。

这里有用到之前写过的加密模块Java加密工具

编写自己的类加载器，只需要继承ClassLoader类，然后覆盖findClass(String name)方法。

ClassLoader超类的loadClass方法用于将类的加载操作委托给其父类加载器去进行，只有当该类尚未加载并且父类加载器也无法加载该类时，才调用findClass方法。

如果要实现findClass方法，必须要做到以下两点:

1. 为来自本地文件系统或者其他来源的类加载器提供字节码（解密工作就在这里进行）
2. 调用ClassLoader超类的definClass方法，向虚拟机提供字节码

注意：调用ClassLoader的loadClass方法时需要指定完整的包名和类名，否则会出错。

下面是一个简单的demo：

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.MalformedURLException;
public class SecretClassLoader extends ClassLoader {
    private String key;
    public void setKey(String k) {
        key = k;
    }
    public SecretClassLoader(String k) {
        key = k;
    }
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            byte[] classBytes = loadClassBytes(name);
            Class<?> c = defineClass(name, classBytes, 0, classBytes.length);
            if (c == null) throw new ClassNotFoundException(name);
            return c;
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException(name);
        }
    }
    private byte[] loadClassBytes(String name) throws IOException {
        String cname = "out/production/Learning-Java/" + name.replace('.', '/') + ".secret";
        FileInputStream fis = new FileInputStream(cname);
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        CryptoCipher.decode(fis, baos, key);
        byte[] bytes = baos.toByteArray();
        fis.close();
        baos.close();
        return bytes;
    }
    public static void main(String[] args) throws MalformedURLException {
        SecretClassLoader loader = new SecretClassLoader("0ZRmCCkKnd4eO/QoU8X0uA==");
        try {
            Class c = loader.loadClass("priv.alanice.learning.other.Secret");
            SecretInterface s = (SecretInterface) c.newInstance();
            System.out.println(s.secretMethod("Alan"));
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            System.out.println("Secret not found!");
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InstantiationException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}