Android ClassLoader解析(1) - Java ClassLoader

ClassLoader 即类加载器，其作用是在JVM虚拟机中动态的加载class文件。众所周知，我们写的Java应用程序都是由不同的 .class 文件组成的，当运行某段逻辑功能时，就会由一个class文件中的方法调用另一个class文件的方法，若此时调用的class文件找不到就会出现异常。而JVM启动时，并不会将所有的class文件一次全部加载进来，而是会根据需要动态的加载，只有class文件被加载到内存后，才能被其他class文件引用，这个过程中ClassLoader发挥着重要的作用。

一. Class文件

还记得最开始学习Java语言的时候，推荐的方法是先不要过度依赖IDE，而是使用类似记事本的文本编辑器来写的，步骤如下：

1. 新建文件，文件格式是.java，编写代码逻辑，eg: HelloWorld.java;
2. 编译.java文件，生成.class文件，命令：javac HelloWorld.java;
3. 运行代码 命令：java HelloWorld，此时可以运行我们写的代码逻辑；

其实这个才是我们最开始学习的Java文件编译运行方式，只是习惯使用IDE后，IDE帮助我们做了很多工作。正常的.java格式文件是不能直接运行的，JVM无法识别，而.class文件是字节码格式文件，JVM可识别，而加载.class文件使JVM可识别，就是依靠ClassLoader。

二. Java默认的ClassLoader

1. 启动类加载器：Bootstrap ClassLoader，主要加载JDK中的核心类库，如目录%JRE_HOME%\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar和class等；
2. 扩展类加载器：Extention ClassLoader，主要加载目录%JRE_HOME%\lib\ext目录下的jar包和class文件；
3. 应用类加载器：App ClassLoader，加载当前应用的classpath的所有类；

三. 加载过程

1.加载顺序：

（1）Bootstrap ClassLoader；
（2）Extention ClassLoader；
（3）App ClassLoader；

2.源码分析

且通过查看源码，即JVM入口类sun.misc.Launcher，其中有BootstrapClassLoader、ExtClassLoader 和 AppClassLoader 的初始化代码，他们实际上是通过查阅环境属性来加载资源文件的，其对应关系为：

• BootstrapClassLoader：sun.boot.class.path
• ExtClassLoader: java.ext.dirs
• AppClassLoader: java.class.path

可以通过获取相应的环境属性来输出路径内容，如

System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));

3.每个类加载器都有一个父加载器

• 一个ClassLoader创建时如果没有指定parent，那么它的parent默认就是AppClassLoader；
• AppClassLoader的parent是ExtClassLoader；
• ExtClassLoader的parent是null；
• Bootstrap没有父加载器，但是它却可以作为任何一个ClassLoader的父加载器(下面会有分析)；

4.父加载器不是父类

ClassLoader继承关系

• ExtClassloader 和 AppClassLoader 都继承自java.lang.ClassLoader类；
• 用户自定义的ClassLoader需要继承java.lang.ClassLoader类；
• BootStrapClassLoader不继承自java.lang.ClassLoader，因为它不是一个Java类，已经嵌入在JVM内核中，是虚拟机的一部分；

四. 双亲委派

1.双亲委派机制

ClassLoader是使用双亲委派模型来搜索类的。委托是从下向上，查找过程是自上至下：

委派过程

过程如下：
（1） 收到Class文件请求，首先委派给AppClassLoader，首先看是否有缓存，如果有，则返回；否则将请求委托给父加载器；
（2）父加载器递归执行第1步；
（3）最终达到顶级父加载器BootstrapClassLoader，如果也没有缓存，就去规定路径下sun.misc.boot.path下查找，找到则返回；没有则让子加载器去查找；
（4）ExtClassLoader在java.ext.dirs下查找，找到则返回；没有则让子加载器查找；
（5） AppClassLoader在java.class.path下查找，找到就返回；没有则让子类加载器查找；
（6）如果子类加载器也找不到，则抛出异常。

2.源码分析 loadClass()

protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先，检测是否已经加载
            Class c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        //父加载器不为空则调用父加载器的loadClass
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        //父加载器为空则调用Bootstrap Classloader
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    //父加载器没有找到，则调用findclass
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                //调用resolveClass()
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

代码解释了双亲委派机制，步骤如下：
（1） findLoadedClass方法来检查该类是否已经加载过；
（2）若没有加载过，则调用父类的loadClass方法；
（3）递归执行步骤2，查找该Class对象；
（4）若直到BootstrapClassLoader依然没有加载成功，则通过findClass查找；
（5）findClass在各自的对应路径下查找，若没有则让子加载器查找，直到找到；否则抛出异常；
（6）最后若找到Class对象，且参数resolve为true，调用resolveClass(Class)方法来生成最终的Class对象，且该方法为native方法；

注意1：上面有提到ExtClassLoader的父加载器通过代码执行，结果显示为null，但在实际向上委托时，系统会为其指定为BootstrapClassLoader，代码如下：

if (parent != null) {
    c = parent.loadClass(name, false);
} else {
    c = findBootstrapClassOrNull(name);
}

注意2：要自定义一个ClassLoader，建议覆盖findClass()方法，而不要直接改写loadClass()方法。（原因：JDK已在loadClass方法中实现了ClassLoader搜索类的算法，当在loadClass方法中搜索不到类时，loadClass方法就会调用findClass方法来搜索类，所以只需重写该方法即可。如没有特殊的要求，一般不建议重写loadClass搜索类的算法。）

3.为什么使用双亲委派机制

• 避免重复加载，当父类加载过，就不用子类再加载一遍；
• 安全原因，避免子类自定义的类动态定义Java核心API定义的类；
• 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。

五. 自定义ClassLoader

Java中自带的三种ClassLoader包括 BootStrapClassLoader、ExtClassLoader和AppClassLoader，但他们都是加载指定路径下的jar或者class文件，如果想要突破路径限制，能够加载我们指定路径的文件，就需要自定义ClassLoader。在自定义ClassLoader中，比较重要的一个方法是defineClass()，能将class二进制内容转换成Class对象，如果不符合要求的会抛出各种异常。

自定义ClassLoader步骤

1. 编写一个类继承自ClassLoader抽象类；
2. 复写它的findClass()方法；
3. 在findClass()方法中调用defineClass()；

参考资料

https://blog.csdn.net/briblue/article/details/54973413
https://blog.csdn.net/xyang81/article/details/7292380