不得不知道的 ClassLoader 的加载机制

作者: 问心2018 | 来源:发表于2020-12-26 10:39 被阅读0次

一个完整的 Java 程序是由多个 .class 文件组成的，在程序运行过程中，需要将这些 .class 文件加载到 JVM 中才可以使用。而负责加载这些 .class 文件的就是类加载器（ClassLoader）。

1.1 Java 中的类何时被加载器加载

在 Java 程序启动的时候，并不会一次性加载程序中所有的 .class 文件，而是在程序的运行过程中，动态地加载相应的类到内存中。

通常情况下,Java 程序中的 .class 文件会在以下 2 种情况下被 ClassLoader 主动加载到内存中：

调用类构造器
调用类中的静态（static）变量或者静态方法

1.2 Java 中 ClassLoader

JVM 中自带 3 个类加载器：

启动类加载器 BootstrapClassLoader
扩展类加载器 ExtClassLoader （JDK 1.9 之后，改名为 PlatformClassLoader）
系统加载器 APPClassLoader

以上 3 者在 JVM 中有各自分工，但是又互相有依赖。

1.2.1 APPClassLoader 系统类加载器

部分源码如下：

image

可以看出，AppClassLoader 主要加载系统属性“java.class.path”配置下类文件，也就是环境变量 CLASS_PATH 配置的路径。因此 AppClassLoader 是面向用户的类加载器，我们自己编写的代码以及使用的第三方 jar 包通常都是由它来加载的。

1.2.2 ExtClassLoader 扩展类加载器

部分源码如下：

image

可以看出，ExtClassLoader 加载系统属性“java.ext.dirs”配置下类文件，可以打印出这个属性来查看具体有哪些文件：
System.out.print(System.getProperty("java.ext.dirs"))

image

1.2.3 BootstrapClassLoader 启动类加载器

BootstrapClassLoader 同上面的两种 ClassLoader 不太一样。

首先，它并不是使用 Java 代码实现的，而是由 C/C++ 语言编写的，它本身属于虚拟机的一部分。因此我们无法在 Java 代码中直接获取它的引用。如果尝试在 Java 层获取 BootstrapClassLoader 的引用，系统会返回 null。

BootstrapClassLoader 加载系统属性“sun.boot.class.path”配置下类文件，可以打印出这个属性来查看具体有哪些文件：
System.out.print(System.getProperty("sun.boot.class.path"))

image

可以看到，这些全是 JRE 目录下的 jar 包或者 .class 文件。

2.1 双亲委派模式（Parents Delegation Model）

既然 JVM 中已经有了这 3 种 ClassLoader，那么 JVM 又是如何知道该使用哪一个类加载器去加载相应的类呢？答案就是：双亲委派模式。

2.1.1 双亲委派模式

所谓双亲委派模式就是，当类加载器收到加载类或资源的请求时，通常都是先委托给父类加载器加载，也就是说，只有当父类加载器找不到指定类或资源时，自身才会执行实际的类加载过程。

其具体实现代码是在 ClassLoader.java 中的 loadClass 方法中，如下所示：

image

判断该 Class 是否已加载，如果已加载，则直接将该 Class 返回。
如果该 Class 没有被加载过，则判断 parent 是否为空，如果不为空则将加载的任务委托给parent。
如果 parent == null，则直接调用 BootstrapClassLoader 加载该类。
如果 parent 或者 BootstrapClassLoader 都没有加载成功，则调用当前 ClassLoader 的 findClass 方法继续尝试加载。

那这个 parent 是什么呢？我们可以看下 ClassLoader 的构造器，如下：

image

可以看出，在每一个 ClassLoader 中都有一个 ClassLoader 类型的 parent 引用，并且在构造器中传入值。如果我们继续查看源码，可以看到 AppClassLoader 传入的 parent 就是 ExtClassLoader，而 ExtClassLoader 并没有传入任何 parent，也就是 null。

3.1 举例说明

 Test test = new Test();

默认情况下，JVM 首先使用 AppClassLoader 去加载 Test 类。

AppClassLoader 将加载的任务委派给它的父类加载器（parent）—ExtClassLoader。
ExtClassLoader 的 parent 为 null，所以直接将加载任务委派给 BootstrapClassLoader。
BootstrapClassLoader 在 jdk/lib 目录下无法找到 Test 类，因此返回的 Class 为 null。

因为 parent 和 BootstrapClassLoader 都没有成功加载 Test 类，所以AppClassLoader会调用自身的 findClass 方法来加载 Test。

public class Test {
 public static void main(String[] args) {
  ClassLoader classLoader=Test.class.getClassLoader();
  System.out.println(""+classLoader);
  ClassLoader parent=classLoader.getParent();
  System.out.println(""+parent);
  ClassLoader grantParent=parent.getParent();
  System.out.println(""+grantParent);
 }
}

最终 Test 类就是被 AppClassLoader 加载到内存中，可以通过如下代码印证此结果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@66d3c617
null

可以看出，Test 的 ClassLoader 为 AppClassLoader 类型，而 AppClassLoader 的 parent 为 ExtClassLoader 类型。ExtClassLoader 的 parent 为 null。

注意：“双亲委派”机制只是 Java 推荐的机制，并不是强制的机制。我们可以继承 java.lang.ClassLoader 类，实现自己的类加载器。如果想保持双亲委派模型，就应该重写 findClass(name) 方法；如果想破坏双亲委派模型，可以重写 loadClass(name) 方法。

3.1.1 自定义 ClassLoader

JVM 中预置的 3 种 ClassLoader 只能加载特定目录下的 .class 文件，如果我们想加载其他特殊位置下的 jar 包或类时（比如，我要加载网络或者磁盘上的一个 .class 文件），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 来加载特定目录下的 .class 文件。

3.1.2 自定义 ClassLoader 步骤

自定义一个类继承抽象类 ClassLoader。
重写 findClass 方法。
在 findClass 中，调用 defineClass 方法将字节码转换成 Class 对象，并返回。

3.1.3 自定义 ClassLoader 实践

首先在本地电脑上创建一个测试类 Secret.java，代码如下：

public class Secret {
public void printSecret(){
    System.out.println("我是女生，可爱的女生");
}
}

测试类所在磁盘路径如下图：

image

接下来，创建 DiskClassLoader 继承 ClassLoader，重写 findClass 方法，并在其中调用 defineClass 创建 Class，代码如下：

image

最后，写一个测试自定义 DiskClassLoader 的测试类，用来验证我们自定义的 DiskClassLoader 是否能正常 work。

image

解释说明：
① 代表需要动态加载的 class 的路径。
② 代表需要动态加载的类名。
③ 代表需要动态调用的方法名称。

最后执行上述 testClassLoader 方法，并打印如下结果，说明我们自定义的 DiskClassLoader 可以正常工作。

注意：上述动态加载 .class 文件的思路，经常被用作热修复和插件化开发的框架中，包括 QQ 空间热修复方案、微信 Tink 等原理都是由此而来。客户端只要从服务端下载一个加密的 .class 文件，然后在本地通过事先定义好的加密方式进行解密，最后再使用自定义 ClassLoader 动态加载解密后的 .class 文件，并动态调用相应的方法。

4.1 Android 中的 ClassLoader

本质上，Android 和传统的 JVM 是一样的，也需要通过 ClassLoader 将目标类加载到内存，类加载器之间也符合双亲委派模型。但是在 Android 中， ClassLoader 的加载细节有略微的差别。

在 Android 虚拟机里是无法直接运行 .class 文件的，Android 会将所有的 .class 文件转换成一个 .dex 文件，并且 Android 将加载 .dex 文件的实现封装在 BaseDexClassLoader 中，而我们一般只使用它的两个子类：PathClassLoader 和 DexClassLoader。

4.1.1 Android 中的 PathClassLoader

PathClassLoader 用来加载系统 apk 和被安装到手机中的 apk 内的 dex 文件。它的 2 个构造函数如下：

image

参数说明：

dexPath：dex 文件路径，或者包含 dex 文件的 jar 包路径；
librarySearchPath：C/C++ native 库的路径。

PathClassLoader 里面除了这 2 个构造方法以外就没有其他的代码了，具体的实现都是在 BaseDexClassLoader 里面，其 dexPath 比较受限制，一般是已经安装应用的 apk 文件路径。

当一个 App 被安装到手机后，apk 里面的 class.dex 中的 class 均是通过 PathClassLoader 来加载的，可以通过如下代码验证：

class MainActivity : AppCompatActivity() {

override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
    super.onCreate(savedInstanceState)
    setContentView(R.layout.activity_main)
    val classLoader = MainActivity::class.java.classLoader
    println("classloader" + classLoader)    
}
}

运行结果：

classloaderdalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.example.leetcode-d1EbuAJf7tNT4g6byMj3rw==/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.example.leetcode-d1EbuAJf7tNT4g6byMj3rw==/lib/x86, /system/lib, /system/product/lib]]]

4.1.2 Android 中的 DexClassLoader

先来看官方对 DexClassLoader 的描述：
A class loader that loads classes from .jar and .apk filescontaining a classes.dex entry.

This can be used to execute code notinstalled as part of an application.

很明显，对比 PathClassLoader 只能加载已经安装应用的 dex 或 apk 文件，DexClassLoader 则没有此限制，可以从 SD 卡上加载包含 class.dex 的 .jar 和 .apk 文件，这也是插件化和热修复的基础，在不需要安装应用的情况下，完成需要使用的 dex 的加载。

DexClassLoader 的源码里面只有一个构造方法，代码如下：

image

参数说明：

dexPath：包含 class.dex 的 apk、jar 文件路径，多个路径用文件分隔符（默认是“:”）分隔。
optimizedDirectory：用来缓存优化的 dex 文件的路径，即从 apk 或 jar 文件中提取出来的 dex 文件。该路径不可以为空，且应该是应用私有的，有读写权限的路径。

4.1.23 使用 DexClassLoader 实现热修复

手写一个热修复案例：

创建 Android 项目 DexClassLoaderHotFix

image

ISay.java 是一个接口，内部只定义了一个方法 saySomething。

interface ISay {
fun saySomething(): String?
}

SayException.java 实现了 ISay 接口，但是在 saySomething 方法中，打印“something wrong here”来模拟一个线上的 bug。

class SayException : ISay {
override fun saySomething(): String? {
    return "something wrong here"
}
}

最后在 MainActivity.java 中，当点击 Button 的时候，将 saySomething 返回的内容通过 Toast 显示在屏幕上。

class MainActivity : AppCompatActivity() {

var iSay: ISay? = null

override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
    super.onCreate(savedInstanceState)
    setContentView(R.layout.activity_main)
    iSay = SayException()
    val test = findViewById<Button>(R.id.test)
    test.setOnClickListener {
        Toast.makeText(this, iSay?.saySomething(), Toast.LENGTH_LONG).show()
    }
   }
}

创建 HotFix patch 包
新建 Java 项目，并分别创建两个文件 ISay.java 和 SayHotFix.java。

interface ISay {
fun saySomething(): String?
}

 class SayHotFix:ISay {
  override fun saySomething(): String? {
    return "Everything is right"
  }
  }

ISay 接口的包名和类名必须和 Android 项目中保持一致。SayHotFix 实现 ISay 接口，并在 saySomething 中返回了新的结果，用来模拟 bug 修复后的结果。

将 ISay.java 和 SayHotFix.java 打包成 say_something.jar，然后通过 dx 工具将生成的 say_something.jar 包中的 class 文件优化为 dex 文件。

 dx --dex --output=say_something_hotfix.jar say_something.jar

上述 say_something_hotfix.jar 就是我们最终需要用作 hotfix 的 jar 包。
将 HotFix patch 包拷贝到 SD 卡主目录，并使用 DexClassLoader 加载 SD 卡中的 ISay 接口

首先将 HotFix patch 保存到本地目录下。一般在真实项目中，我们可以通过向后端发送请求的方式，将最新的 HotFix patch 下载到本地中。这里为了演示，我直接使用 adb 命令将 say_somethig_hotfix.jar 包 push 到 SD 卡的主目录下：

adb push say_something_hotfix.jar /storage/self/primary/

接下来，修改 MainActivity 中的逻辑，使用 DexClassLoader 加载 HotFix patch 中的 SayHotFix 类，如下：

class MainActivity : AppCompatActivity() {

var iSay: ISay? = null

override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
    super.onCreate(savedInstanceState)
    setContentView(R.layout.activity_main)

    val test = findViewById<Button>(R.id.test)
    test.setOnClickListener {

    }

    var file = File(Environment.getExternalStorageDirectory().path + File.separator + "say_something_hotfix.jar")

    if (file.exists()) {
        iSay = SayException()
        Toast.makeText(this, iSay?.saySomething(), Toast.LENGTH_LONG).show()
    } else {
        val dexClassLoader = DexClassLoader(file.canonicalPath, externalCacheDir?.absolutePath, null, classLoader)
       //加载hotfix的类
       val className = dexClassLoader.loadClass("com.example.leetcode.hotfix.java.HotFix")
        val isayNew: ISay = className.newInstance() as ISay
        Toast.makeText(this, isayNew.saySomething(), Toast.LENGTH_LONG).show()
    }
 }
}

注意：因为需要访问 SD 卡中的文件，所以需要在 AndroidManifest.xml 中申请权限。

最后运行效果如下：

image

5.1 总结

ClassLoader 就是用来加载 class 文件的，不管是 jar 中还是 dex 中的 class。
Java 中的 ClassLoader 通过双亲委托来加载各自指定路径下的 class 文件。
可以自定义 ClassLoader，一般覆盖 findClass() 方法，不建议重写 loadClass 方法。
Android 中常用的两种 ClassLoader 分别为：PathClassLoader 和 DexClassLoader。

不得不知道的 ClassLoader 的加载机制

1.1 Java 中的类何时被加载器加载

1.2 Java 中 ClassLoader

1.2.1 APPClassLoader 系统类加载器

1.2.2 ExtClassLoader 扩展类加载器

1.2.3 BootstrapClassLoader 启动类加载器

2.1 双亲委派模式（Parents Delegation Model）

2.1.1 双亲委派模式

3.1 举例说明

3.1.1 自定义 ClassLoader

3.1.2 自定义 ClassLoader 步骤

3.1.3 自定义 ClassLoader 实践

4.1 Android 中的 ClassLoader

4.1.1 Android 中的 PathClassLoader

4.1.2 Android 中的 DexClassLoader

4.1.23 使用 DexClassLoader 实现热修复

5.1 总结

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