ClassLoader 原理分析

一. 什么是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
先大体了解一下ClassLoader的API：

package java.lang;

public abstract class ClassLoader {
 public Class loadClass(String name);

 protected Class defineClass(byte[] b);

 public URL getResource(String name);

 public Enumeration getResources(String name);

 public ClassLoader getParent();
}

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：

package com.zlb.ClassLoader;
import java.net.URL;
public class LoaderJar {
    public static void main(String[] args) {
        @SuppressWarnings("restriction")
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();  
        for (int i = 0; i < urls.length; i++) {  
            System.out.println(urls[i].toExternalForm());  
        }
        System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));
    }
}   
结果：
file:/D:/MyEclipse2014/binary/com.sun.java.jdk7.win32.x86_64_1.7.0.u45/jre/lib/resources.jar
file:/D:/MyEclipse2014/binary/com.sun.java.jdk7.win32.x86_64_1.7.0.u45/jre/lib/rt.jar
file:/D:/MyEclipse2014/binary/com.sun.java.jdk7.win32.x86_64_1.7.0.u45/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/D:/MyEclipse2014/binary/com.sun.java.jdk7.win32.x86_64_1.7.0.u45/jre/lib/jsse.jar
file:/D:/MyEclipse2014/binary/com.sun.java.jdk7.win32.x86_64_1.7.0.u45/jre/lib/jce.jar
file:/D:/MyEclipse2014/binary/com.sun.java.jdk7.win32.x86_64_1.7.0.u45/jre/lib/charsets.jar
file:/D:/MyEclipse2014/binary/com.sun.java.jdk7.win32.x86_64_1.7.0.u45/jre/lib/jfr.jar
file:/D:/MyEclipse2014/binary/com.sun.java.jdk7.win32.x86_64_1.7.0.u45/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

• 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

• 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。

• 验证ClassLoader加载原理
  测试一

package com.zlb.ClassLoader;
public class LoaderParent {
    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader loader = LoaderParent.class.getClassLoader();    //获得加载LoaderParent.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);
    }
}
结果：
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@456d3d51
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@6d4b473
null

第一行结果说明：LoaderParent 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

测试二
将LoaderParent.class打包成LoaderParent.jar，放到MyEclipse 的 Extension ClassLoader的加载目录下（D:\MyEclipse2014\binary\com.sun.java.jdk7.win32.x86_64_1.7.0.u45\jre\lib\ext），然后重新运行这个程序，得到的结果会是什么样呢？

LoaderParent.jar

运行结果：

sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@456d3d51
null

• 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

四、ClassLoader异常

• NoClassDefFoundError

package com.zlb.servlet;
import java.io.IOException;
import javax.servlet.ServletException;
import javax.servlet.annotation.WebServlet;
import javax.servlet.http.HttpServlet;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import junit.framework.TestCase;
@WebServlet(name = "NoClassDefFoundErrorServlet", urlPatterns = "/noClassDefFoundError.do")
public class NoClassDefFoundErrorServlet extends HttpServlet{
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    @Override
    protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)
            throws ServletException, IOException {
        resp.getWriter().println(TestCase.class.toString());
    }
    @Override
    protected void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)
            throws ServletException, IOException {
        doGet(req, resp);
    }

}

junit.jar在maven 依赖包中有所以编译不报错，但在WEB-INF包中没有，所以最后运行时出现NoClassDefFoundError。我们需要从最终的war包中确定是否存在这个类，而不是在IDE中进行搜索。

• NoSuchMethodError

package com.zlb.servlet;
import java.io.IOException;
import javax.servlet.ServletException;
import javax.servlet.annotation.WebServlet;
import javax.servlet.http.HttpServlet;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import org.springframework.beans.factory.BeanFactoryUtils;
@WebServlet(name = "NoSuchMethodErrorServlet", urlPatterns = { "/noSuchMethodError.do" })
public class NoSuchMethodErrorServlet extends HttpServlet {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    public void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)
            throws ServletException, IOException {
         BeanFactoryUtils.isGeneratedBeanName("xxx");
         resp.getWriter().println("done.");
    }
}

• ClassCastException

package com.zlb.ClassLoader;
public class NewworkClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        String rootURI = "E:\\WorkSpaceSSH\\ClassLoader\\target\\classes\\";  
        String className = "com.zlb.ClassLoader.NetClassLoaderSimple";  
        NetworkClassLoader ncl1 = new NetworkClassLoader(rootURI);
        NetworkClassLoader ncl2 = new NetworkClassLoader(rootURI);  
        try {
             Class<?>  clazz1 = ncl1.findClass(className);
             Class<?>  clazz2 = ncl2.findClass(className);  
             Object obj1 = clazz1.newInstance();  
             Object obj2 = clazz2.newInstance();  
             clazz1.getMethod("setNetClassLoaderSimple", Object.class).invoke(obj1, obj2);  
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }  
    }
}
结果：
java.lang.reflect.InvocationTargetException
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:57)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:606)
    at com.zlb.ClassLoader.NewworkClassLoaderTest.main(NewworkClassLoaderTest.java:14)
Caused by: java.lang.ClassCastException: com.zlb.ClassLoader.NetClassLoaderSimple cannot be cast to com.zlb.ClassLoader.NetClassLoaderSimple
    at com.zlb.ClassLoader.NetClassLoaderSimple.setNetClassLoaderSimple(NetClassLoaderSimple.java:8)
    ... 5 more

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