ClassLoader解析（一）：Java中的ClassLoad

作者: 编码前线 | 来源:发表于2019-01-06 23:36 被阅读26次

ClassLoader解析（一）：Java中的ClassLoad
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ClassLoader详解
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Java ClassLoader 解析
ClassLoader类加载器（一）：动态代理模式

概述

ClassLoader（类加载器）的功能是将class文件加载到JVM虚拟机中，让程序可以正确运行；但是，JVM启动的时候，并不会一次性加载所有的class文件，而是根据需要去动态加载，不然，一次性加载那么多class，会占用大量内存。

ClassLoader的类型

Java中的类加载器主要有两种类型：系统类加载器和自定义类加载器。其中系统类加载器包括3中，分别是Bootstrap ClassLoader、Extensions ClassLoader、App ClassLoader。

Bootstrap ClassLoader

启动类加载器，是Java类加载层次中最顶层的类加载器，是用C/C++实现的，负责加载JDK中的核心类库，如rt.jar、resources.jar、charsets.jar等。可以通过启动JVM时指定-Xbootclasspath来改变Bootstrap ClassLoader的加载目录。

获取该类加载器从哪些地方加载了相关的jar或class文件：

// 方式一
System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));
// 方式二
URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
    System.out.println(urls[i].toExternalForm());
}

运行结果：

file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_111.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_111.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_111.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_111.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_111.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_111.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_111.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_111.jdk/Contents/Home/jre/classes

Extensions ClassLoader

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目录下的所有jar。也可以通过-Djava.ext.dirs选项指定目录。

获取该类加载器的加载目录：

System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));

运行结果：

/Users/xch/Library/Java/Extensions:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_111.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext:
/Library/Java/Extensions:
/Network/Library/Java/Extensions:
/System/Library/Java/Extensions:/usr/lib/java

App ClassLoader

负责加载当前应用程序classpath目录下的所有jar和class文件。也可以通过-Djava.class.path加载的路径。

Custom ClassLoader

除了系统提供的类加载器，还可以自定义类加载器，自定义类加载器是通过继承java.lang.ClassLoader类的方式来实现自己的类加载器。

ClassLoader的继承关系

获取一个类加载涉及到的类加载器：

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        while (loader != null) {
            System.out.println(loader);
            loader = loader.getParent();
        }
    }
}

运行结果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@135fbaa4
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@2503dbd3

说明：

第1行说明加载ClassLoaderTest的类加载器是AppClassLoader；
第2行说明APPClassLoader的父加载器为ExtClassLoader；
因为Bootstrap ClassLoader是由C/C++编写的，并不是一个Java类，所有无法在Java代码中获取它的引用。

class-graph.png

ClassLoader是一个抽象类，其中定义了ClassLoader的主要功能。
SecureClassLoader继承了抽象类ClassLoader，但SecureClassLoader并不是ClassLoader的实现类，而是扩展了ClassLoader类加入了权限方面的功能，加强了ClassLoader的安全性。
URLClassLoader继承自SecureClassLoader，用来通过URI路径从jar文件和文件夹中加载类和资源。
ExtClassLoader和AppClassLoader都继承自URLClassLoader，它们都是Launcher的内部类，Launcher是Java虚拟机的入口应用，ExtClassLoader和AppClassLoader都是在Launcher中进行初始化的。

ClassLoader加载类的原理

原理介绍

类加载器查找Class所采用的是双亲委托模式，所谓的双亲委托就是首先判断该Class是否已经加载，如果没有则不是自身去查找，而是委托给父加载器进行查找，一样依次的进行递归，直到委托到最顶层的Bootstrap ClassLoader，如果Bootstrap ClassLoader找到了该Class，就直接返回；如果没有找到，则继续依次向下查找；如果还没找到则最后会交给自身去查找。

加载过程

classloader-load-class.png

自底向上检查类是否已经加载；

自顶向下尝试加载类。

Step1:：自定义类加载器首先从缓存中查找Class是否已经加载，如果已将加载就返回该Class；如果没加载，则委托给父加载器也就是App ClassLoader。

Step2：按照上图中红色虚线的方向递归步骤1.

Step3：一直委托到Bootstrap ClassLoader，如果Bootstrap ClassLoader在缓存中还没找到Class，则在自己规定路径JAVA_HOME/jre/lib中或者Xbootclasspath选项指定路径的jar包中进行查找，如果找到，则返回该Class；如果没有，则交给子加载器Extensions ClassLoader。

Step4：Extensions ClassLoader查找JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下或者-Djava.ext.dirs选项指定目录下的jar包；如果找到就返回，找不到则交给App ClassLoader。

Step5：App ClassLoader查找classpath目录下或者-Djava.class.path选项所指定目录下的jar包或class文件，如果找到就返回，找不到就交给自定义的类加载器，如果还找不到则抛出异常。

// ClassLoader中的loadClass方法
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    // 检查class是否已经被加载
    Class<?> c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            if (parent != null) {
                // 调用父类加载器的loadClass方法
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                // 调用Bootstrap ClassLoader查找
                c = findBootstrapClassOrNull(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // ClassNotFoundException thrown if class not found
            // from the non-null parent class loader
        }

        if (c == null) {
            // 向上委托没有找到该类，则调用findClass方法继续向下查找。
            c = findClass(name);
        }
    }
    return c;
}

双亲委托模式的好处

避免重复加载，如果已经加载过一次Class，就不需要再次加载，而是从缓存中直接读取。
更加安全，如果不使用双亲委托模式，就可以自定义一个String类来替代系统的String类，这会造成安全隐患，采用双亲委托模式会使String类在虚拟机启动时就被Bootstrap ClassLoader加载，所以用户自定义的ClassLoader永远无法加载一个自己写的String，除非改变JDK中ClassLoader搜索类的默认算法。并且只有两个类名一致并且被同一个类加载器加载的类，Java虚拟机才会认为它们是同一个类。

自定义ClassLoader

系统提供的类加载器只能加载指定目录下的jar包和class文件，如果想要加载网络上或者其他地方的jar包或者class文件则需要自定义ClassLoader。

自定义步骤

Step1：编写一个类继承自ClassLoader抽象类。

Step2：重写findClass()方法。

Step3：在findClass()方法中调用defineClass()。

说明：

在findClass()方法中定义查找class的方法，然后将class数据通过defineClass()生成Class对象。

自定义示例

示例：自定义一个NetworkClassLoader，用于加载网络上的class文件

Step1. 创建NetworkClassLoader.java

public class NetworkClassLoader extends ClassLoader {

    private String rootUrl;

    public NetworkClassLoader(String rootUrl) {
        this.rootUrl = rootUrl;
    }

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

    private byte[] getClassData(String name) {
        InputStream is = null;

        try {
            String path = classNameToPath(name);
            URL url = new URL(path);
            byte[] buff = new byte[1024 * 4];
            int len;
            is = url.openStream();
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            while ((len = is.read(buff)) != -1) {
                baos.write(buff, 0, len);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (is != null) {
                try {
                    is.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        return null;
    }

    private String classNameToPath(String name) {
        return rootUrl + "/" + name.replace(".", "/") + ".class";
    }

}

Step2. 创建用于网络加载的类NetworkClassLoaderTest.java

package com.github.xch168.network;

public class NetworkClassLoaderTest {

    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello from network class.");
    }
}

Step3. 将NetworkClassLoaderTest.java编译成NetworkClassLoaderTest.class并上传到七牛的对象存储服务器。

network-class.png

Step4. 创建测试类ClassLoaderTest.java

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            String rootUrl = "http://pkx097e6d.bkt.clouddn.com";
            NetworkClassLoader networkClassLoader = new NetworkClassLoader(rootUrl);
            String classname = "com.github.xch168.network.NetworkClassLoaderTest";
            Class clazz = networkClassLoader.loadClass(classname);
            System.out.println(clazz.getClassLoader());
            Object obj = clazz.newInstance();
            Method method = clazz.getDeclaredMethod("sayHello");
            method.invoke(obj, null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

Step5. 执行ClassLoaderTest的main方法

运行结果：

com.github.xch168.classloadertest.NetworkClassLoader@214c265e
Hello from network class.

参考链接

编码前线.jpg

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