Spring资源加载基础ClassLoader

1 ClassLoader工作机制

1.1 ClassLoader作用

寻找类字节码文件并构造出类在JVM内部表示的组件.负责运行时查找和装入Class字节码文件

1.2 装载步骤

1.2.1 装载

查找装载class字节码文件

1.2.2 链接

执行校验，准备和解析步骤，其中解析步骤时可选的

1.2.2.1 校验

检查装载Class文件的正确性

1.2.2.2 准备

给类的静态变量分配存储空间

1.2.2.3 解析

将符号引用转换为直接引用

1.2.3 初始化

对类的静态变量，方法，代码块执行初始化操作

2 JVM中提供的ClassLoader

2.1 Bootstrap ClassLoader（根加载器）

最顶层的装载器，它不是ClassLoader的子类，采用C++编写，因此在JAVA中不可见。主要负责装载JRE核心类库。可以通过jvm启动参数-Xbootclasspath改变该加载器加载的路径

2.2 Extention ClassLoader（ 扩展加载器）

主要负责加载JRE扩展目录ext下的包，可以通过-D java.ext.dirs选项指定目录

2.3 App ClassLoader（应用加载器/系统加载器）

负责加载当前工程目录下，classpath下的包或者class文件

其中Extention ClassLoader & AppClassLoader是ClassLoader的子类，根加载器是扩展加载器的父加载器，扩展加载器是应用加载器的父加载器。在默认情况下使用应用加载器

3 JVM加载机制

类加载采用“全盘负责委托机制”。

“全盘负责”：在类加载时指定一个ClassLoader，除非显示声明其他的加载器，否则该类所依赖的类以及引用的类都由该加载器加载。

“委托机制”：类加载时优先委托父加载器寻找并加载目标类，只有在父加载器没有找到的情况下，才从自己的classpath路径下查找并加载目标类。该点主要是出于安全的考虑，在classpath路径下定义JDK中已经存在的类，由于该机制，JDK中的类都由父加载器开始查找并加载.每个加载器都有缓存，在委托时优先查找缓存，如果缓存中存在，那么直接返回，否者才执行查找和加载

4 类实例，类描述对象以及ClassLoader关系

类文件被加载后，在JVM内部对应拥有一个java.lang.Class类描述对象，类的每个实例拥有类描述对象的引用，类描述对象拥有类加载器的引用

5 启动顺序

Bootstrap ClassLoader-->Extention ClassLoader-->AppClass Loader即Bootstrap ClassLoader最先启动，接着是Extenion ClassLoader,最后是AppClass Loader

6 源码分析

6.1 JVM入口应用是sun.misc.Launcher

1.定义Bootstrap ClassLoader加载路径(sun.boot.class.path)

2.创建Extention ClassCloader

3.创建App ClassLoader并设置App ClassLoader的父类：Extention ClassCloader

public class Launcher {
    //Bootstrap ClassLoader加载路径
    private static String bootClassPath = System.getProperty("sun.boot.class.path");

    //该处定义的App ClassLoader
    private ClassLoader loader;

    public Launcher() {
        // Create the extension class loader
        ClassLoader extcl;
        try {
            //创建Extention ClassLoader
            extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException e) {......}

        // Now create the class loader to use to launch the application
        try {
            //创建AppClassLoader并传入父加载器,由此可看AppClassLoader父加载器是Extention ClassLoader
            loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
        } catch (IOException e) {......}

        //设置AppClassLoader为当前线程上下问类加载器
        // Also set the context class loader for the primordial thread.
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
    }

    public ClassLoader getClassLoader() {
        return loader;
    }

    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {}

    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {}
}

该类中定义了Bootstrap ClassLoader加载路径,同时创建了Extention ClassLoader以及AppClassLoader,如下是Bootstrap ClassLoader加载路径信息

/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/resources.jar
/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/rt.jar
/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/sunrsasign.jar
/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/jsse.jar
/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/jce.jar
/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/charsets.jar
/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/jfr.jar
/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/classes

从输出路径上看Bootstrap ClassLoader主要加载的是jre/lib目录下的资源.即JVM Runtime核心库

6.2 ExtClassLoader源码

1.根据查找路径获得路径(jav.ext.dirs)下文件

2.将文件路径转换为URL

3.调用父类构造函数,创建ExtClassLoader并设置父加载器

static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
        public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException
        {
            final File[] dirs = getExtDirs();//获得查找路径下的所有文件
            try {
                return AccessController.doPrivileged(
                    new PrivilegedExceptionAction() {
                        public ExtClassLoader run() throws IOException {
                            ......
			    //创建Extention ClassLoader
                            return new ExtClassLoader(dirs);
                        }
                    });
            } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {......}
    }

public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
            //调用父类URLClassLoader的构造函数并传入父加载器，此时为null
            super(getExtURLs(dirs), null, factory);
 }

private static File[] getExtDirs() {
            //Extention ClassLoader加载路径
            String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
            File[] dirs;
            if (s != null) {
                StringTokenizer st = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
                int count = st.countTokens();
                dirs = new File[count];
                for (int i = 0; i < count; i++) {
                    dirs[i] = new File(st.nextToken());
                }
            } else {
                dirs = new File[0];
            }
            return dirs;
        }
}

private static URL[] getExtURLs(File[] dirs) throws IOException {
    Vector urls = new Vector();
    for (int i = 0; i < dirs.length; i++) {
        String[] files = dirs[i].list();
        if (files != null) {
            for (int j = 0; j < files.length; j++) {
                if (!files[j].equals("meta-index")) {
                    File f = new File(dirs[i], files[j]);
                    urls.add(getFileURL(f));
                }
            }
        }
   }
   URL[] ua = new URL[urls.size()];
   urls.copyInto(ua);
   return ua;
}

static URL getFileURL(File file) {
    try {
        file = file.getCanonicalFile();
    } catch (IOException e) {}

    try {
        return ParseUtil.fileToEncodedURL(file);
    } catch (MalformedURLException e) {
            // Should never happen since we specify the protocol...
            throw new InternalError(e);
    }
}

如下是java.ext.dirs的输出信息

/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/ext
/usr/java/packages/lib/ext

6.3 AppClassLoader源码

1.获得java.classs.path路径下的所有文件

2.解析文件路径为URL

3.调用父类构造函数创建AppClassLoader并设置父类

static class AppClassLoader extends URLClassLoader {
        public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader extcl)
            throws IOException
        {
            //AppClassLoader加载路径
            final String s = System.getProperty("java.class.path");
            final File[] path = (s == null) ? new File[0] : getClassPath(s);

            return AccessController.doPrivileged(
                new PrivilegedAction() {
                    public AppClassLoader run() {
                    URL[] urls =
                        (s == null) ? new URL[0] : pathToURLs(path);
                    return new AppClassLoader(urls, extcl);
                }
            });
        }

        AppClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent) {
            super(urls, parent, factory);
        }
    }
}

private static URL[] pathToURLs(File[] path) {
        URL[] urls = new URL[path.length];
        for (int i = 0; i < path.length; i++) {
            urls[i] = getFileURL(path[i]);
        }
        // DEBUG
        //for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
        //  System.out.println("urls[" + i + "] = " + '"' + urls[i] + '"');
        //}
        return urls;
}

Java.class.path输出信息

/work/new_workspace/aaa/bin

7 ClassLoader继承关系

java.lang.Object

    java.lang.ClassLoader

        java.security.SecureClassLoader

            java.net.URLClassLoader

                ExtClassLoader

                AppClassLoader

8 获得加载器的父加载器

可以通过getParent()获得当前加载器的父加载器

//Main为自定义Class
System.out.println(Main.class.getClassLoader());
System.out.println(Main.class.getClassLoader().getParent());

System.out.println(Main.class.getClassLoader().getParent().getParent());
System.out.println(Boolean.class.getClassLoader());

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@330bedb4
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@5cad8086

null
null

为什么获得ExtClassLoader的父加载器为null?这和每个加载器都有一个父加载器违背.这个属于正常现象.具体原因如下:

1.从ExtClassLoader构造函数super(getExtURLs(dirs), null, factory);可以看出此时传入的就是null

2.Bootstrap ClassLoader是由C/C++编写的，它本身是虚拟机的一部分，不是一个JAVA类，无法在java代码中获取它的引用，凡是sun.boot.class.path路径下的包以及类都是由它加载。JVM初始化sun.misc.Launcher创建Extension ClassLoader和AppClassLoader实例。并将ExtClassLoader设置为AppClassLoader的父加载器。BootstrapClassCloader没有父加载器，但是它却可以作为一个ClassLoader的父加载器。比如ExtClassLoader。这也可以解释之前通过ExtClassLoader的getParent方法获取为Null的现象.我们可以分析getParent()的源码

父加载器可以直接由外界指定,如果外界不指定，那么采用AppClassLoader作为父加载器

//在创建ExtClassLoader时,采用super(getExtURLs(dirs), null, factory).所以获得的是null

public  URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent, URLStreamHandlerFactory factory) {
     super(parent);
}

public abstract class ClassLoader {
    //父加载器直接由外部指定
    protected ClassLoader(ClassLoader parent) {
        this(checkCreateClassLoader(), parent);
    }
}

//没有指定父加载器的情况下将系统加载器设置为父加载器即AppClassLoader
protected ClassLoader() {
    this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
}

private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
	this.parent = parent;
	...
}

public final ClassLoader getParent() {
    if (parent == null)
        return null;
    ..........
    return parent;
}

public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
    initSystemClassLoader();
    ......
    return scl;
}

private static synchronized void initSystemClassLoader() {
    if (!sclSet) {
        //通过Launcher获取ClassLoader,其实就是AppClassLoader
        sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher();
        scl = l.getClassLoader();
}

9 重要方法

9.1 URL getResource(String name)

查找给定名称的资源。资源的名称是一个/分隔的路径名称标识资源，优先查找父加载器，如果找不到在从Bootstrap ClassLoader路径中查找并加载

    public URL getResource(String name) {
        URL url;
        if (parent != null) {
            url = parent.getResource(name);
        } else {
            url = getBootstrapResource(name);
        }
        if (url == null) {
            url = findResource(name);
        }
        return url;
    }

9.2 Enumeration getResources(String name)

查找给定名称的所有资源。资源的名称是一个/分隔的路径名称标识资源，优先查找父加载器，如果找不到在从Bootstrap ClassLoader路径中查找并加载，该模式下支持正则匹配

    public Enumeration getResources(String name) throws IOException {
        @SuppressWarnings("unchecked")
        Enumeration[] tmp = (Enumeration[]) new Enumeration[2];
        if (parent != null) {
            tmp[0] = parent.getResources(name);
        } else {
            tmp[0] = getBootstrapResources(name);
        }
        tmp[1] = findResources(name);

        return new CompoundEnumeration<>(tmp);
    }

9.3 URL getSystemResource(String name)

采用AppClassLoader加载给定名称的资源

    public static URL getSystemResource(String name) {
        ClassLoader system = getSystemClassLoader();
        if (system == null) {
            return getBootstrapResource(name);
        }
        return system.getResource(name);
    }

9.4 Enumeration getSystemResources(String name)

采用AppClassLoader加载给定名称的所有资源

    public static Enumeration getSystemResources(String name)
        throws IOException
    {
        ClassLoader system = getSystemClassLoader();
        if (system == null) {
            return getBootstrapResources(name);
        }
        return system.getResources(name);
    }

9.5 URL findResource(String name)

查找具有给定名称的资源。类加载器实现应覆盖此方法以指定在哪里查找资源

    protected URL findResource(String name) {
        return null;
    }

9.6 Enumeration findResources(String name)

查找具有给定名称的所有资源。类加载器实现应覆盖此方法以指定在哪里查找资源

    protected Enumeration findResources(String name) throws IOException {
        return java.util.Collections.emptyEnumeration();
    }

9.7 loadClass

loadClass(String name) & loadClass(String name, boolean resolve)name指定了类装载器的名字，必须使用全限定名。resolve告诉装载器是否需要解析该类。在初始化之前，应该考虑进行类解析工作。并不是所有的类都需要解析的。如果JVM只需要知道该类是否存在或者找出该类的超类，那么就不需要解析该类

public abstract class ClassLoader {
protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            //是否已经加载
            Class c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                try {
                    if (parent != null) {
                        //递归调用,查找父加载器
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                     	//调用Bootstrap Classloader
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {......}

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
		    //调用findClass
                    c = findClass(name);
                    ....
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }
}

protected final Class findLoadedClass(String name) {
    if (!checkName(name))
        return null;
    return findLoadedClass0(name);
}

private native final Class findLoadedClass0(String name);

private Class findBootstrapClassOrNull(String name)
{
    if (!checkName(name)) return null;
    return findBootstrapClass(name);
}

private native Class findBootstrapClass(String name);

protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

9.8 defineClass(String name,byte[] b, int off,int len)

将类文件字节码数组装换成JVM内部的java.lang.Class对象，字节数组可以从本地系统，远程网络获取

protected final Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
        throws ClassFormatError
    {
        return defineClass(name, b, off, len, null);
    }

    protected final Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,
                                         ProtectionDomain protectionDomain)
        throws ClassFormatError
    {
        protectionDomain = preDefineClass(name, protectionDomain);
        String source = defineClassSourceLocation(protectionDomain);
        Class c = defineClass1(name, b, off, len, protectionDomain, source);
        postDefineClass(c, protectionDomain);
        return c;
    }

private native Class defineClass1(String name, byte[] b, int off, int len,
                                         ProtectionDomain pd, String source);

9.9 findSystemClass(String)

从本地文件系统载入Class文件，如果本地文件系统中不存在该Class文件，抛出ClassNotFoundError。该方法是JVM默认使用的装载器

protected final Class findSystemClass(String name)
        throws ClassNotFoundException
    {
        ClassLoader system = getSystemClassLoader();
        if (system == null) {
            if (!checkName(name))
                throw new ClassNotFoundException(name);
            Class cls = findBootstrapClass(name);
            if (cls == null) {
                throw new ClassNotFoundException(name);
            }
            return cls;
        }
        return system.loadClass(name);
    }

9.10 findLoadedClass(String name)

该方法查看ClassLoader是否已经加载了某个类，如果载入就返回Class对象，否则返回null，如果强行载入已经载入的类会抛出异常

    protected final Class findLoadedClass(String name) {
        if (!checkName(name))
            return null;
        return findLoadedClass0(name);
    }

    private native final Class findLoadedClass0(String name);

10 如何自定义ClassLoader

1.编写一个类继承ClassLoader

2.重写findClass 方法

3.在findClass中调用defineClass即可

11 Context ClassLoader 线程上下文类加载器

public class Thread implements Runnable {

/* The context ClassLoader for this thread */
   private ClassLoader contextClassLoader;

   public void setContextClassLoader(ClassLoader cl) {
       SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
       if (sm != null) {
           sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
       }
       contextClassLoader = cl;
   }

   public ClassLoader getContextClassLoader() {
       if (contextClassLoader == null)
           return null;
       SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
       if (sm != null) {
           ClassLoader.checkClassLoaderPermission(contextClassLoader,
                                                  Reflection.getCallerClass());
       }
       return contextClassLoader;
   }
}

contextClassLoader只是一个成员变量，通过setContextClassLoader()方法设置，通过getContextClassLoader()获得。 

每个Thread都有一个相关联的ClassLoader，默认是AppClassLoader。并且子线程默认使用父线程的ClassLoader除非子线程特别设置

12 自定义ClassLoader的作用

常见的用法是将Class文件按照某种加密手段进行加密，然后按照规则编写自定义的ClassLoader进行解密，这样我们就可以在程序中加载特定了类，并且这个类只能被我们自定义的加载器进行加载，提高了程序的安全性。

13 参考

http://blog.csdn.net/xyang81/article/details/7292380

http://blog.csdn.net/briblue/article/details/54973413#t36

JDK源码