深入分析ClassLoader原理

一、什么是ClassLoader?

一个Java程序不是管是CS还是BS应用，都是由若干个.class文件组织而成的一个完整的Java应用程序，当程序在运行时，即会调用该程序的一个入口函数来调用系统的相关功能，而这些功能都被封装在不同的class文件当中，所以经常要从这个class文件中要调用另外一个class文件中的方法。

如果另外一个文件不存在的，则会引发系统异常。而程序在启动的时候，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。

二、Java默认提供的三个ClassLoader

1、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：

System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));

输出如下：

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\rt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\jfr.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\classes

可以看出加载的是$JAVA_HOME目录的lib下的包。

2、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。

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

输出如下：

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\ext;

可以看出加载的是$JAVA_HOME目录lib\ext下的类。只要jar包放置这个位置，就会被虚拟机加载。一个常见的、类似的问题是，你将mysql的低版本驱动不小心放置在这儿，但你的Web应用程序的lib下有一个新的jdbc驱动，但怎么都报错，譬如不支持JDBC2.0的 DataSource，这时你就要当心你的新jdbc可能并没有被加载。这就是ClassLoader的delegate现象。常见的有log4j、 common-log、dbcp会出现问题，因为它们很容易被人塞到这个ext目录，或是Tomcat下的common/lib目录。

3、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。

我们创建的standalone应用的main class缺省情况下也是由它加载(通过Thread.currentThread().getContextClassLoader()查看)。实际开发中用ClassLoader更多时候是用其加载classpath下的资源，特别是配置文件，如ClassLoader.getResource()，比FileInputStream直接。

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。

类加载器 classloader 是具有层次结构的，也就是父子关系。其中，Bootstrap 是所有类加载器的父亲。如下图所示：

classloader 的层次结构

三、ClassLoader加载类的原理

1、原理介绍

先看ClassLoader的体系架构图：

ClassLoader的体系架构

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。

1、先检查需要加载的类是否已经被加载，这个过程是从下->上；

2、如果没有被加载，则委托父加载器加载，如果加载不了，再由自己加载，这个过程是从上->下

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。

2、为什么要使用双亲委托这种模型呢？

1）、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。

2）、考虑到安全因素。

如果不使用这种委托模式，我们就可以随时使用自定义的ClassLoader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。

3、JVM在搜索类的时候，如何判断两个class相同呢？

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。

在一个单虚拟机环境下，标识一个类有两个因素：class的全路径名、该类的ClassLoader。

类名和类加载器一起作为key

四、自定义ClassLoader

既然JVM已经提供了默认的类加载器，为什么还要定义自已的类加载器呢？

因为Java中提供的默认ClassLoader，只加载指定目录下的jar和class，如果我们想加载其它位置的类或jar时，比如：我要加载网络上的一个class文件，通过动态加载到内存之后，要调用这个类中的方法实现我的业务逻辑。在这样的情况下，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。

自定义步骤

编写一个类继承自ClassLoader抽象类。
复写它的findClass()方法。
在findClass()方法中调用defineClass()。

defineClass()

这个方法在编写自定义classloader的时候非常重要，它能将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。

注意点：

一个ClassLoader创建时如果没有指定parent，那么它的parent默认就是AppClassLoader。

上面说的是，如果自定义一个ClassLoader，默认的parent父加载器是AppClassLoader，因为这样就能够保证它能访问系统内置加载器加载成功的class文件。

自定义ClassLoader示例之DiskClassLoader。

先定义Test.java

public class Test {

    public void say(){
        System.out.println("Say Hello");
    }

}

然后将它编译过年class文件Test.class放到D:\lib这个路径下。

我们编写DiskClassLoader的代码。

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;


public class DiskClassLoader extends ClassLoader {

    private String mLibPath;

    public DiskClassLoader(String path) {
        // TODO Auto-generated constructor stub
        mLibPath = path;
    }

    @Override
    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // TODO Auto-generated method stub

        String fileName = getFileName(name);

        File file = new File(mLibPath,fileName);

        try {
            FileInputStream is = new FileInputStream(file);

            ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
            int len = 0;
            try {
                while ((len = is.read()) != -1) {
                    bos.write(len);
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            byte[] data = bos.toByteArray();
            is.close();
            bos.close();

            return defineClass(name,data,0,data.length);

        } catch (IOException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

        return super.findClass(name);
    }

    //获取要加载 的class文件名
    private String getFileName(String name) {
        // TODO Auto-generated method stub
        int index = name.lastIndexOf('.');
        if(index == -1){ 
            return name+".class";
        }else{
            return name.substring(index)+".class";
        }
    }
}

我们在findClass()方法中定义了查找class的方法，然后数据通过defineClass()生成了Class对象。

测试

现在我们要编写测试代码。我们知道如果调用一个Test对象的say方法，它会输出”Say Hello”这条字符串。但现在是我们把Test.class放置在应用工程所有的目录之外，我们需要加载它，然后执行它的方法。

import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) {
      
        //创建自定义classloader对象。
        DiskClassLoader diskLoader = new DiskClassLoader("D:\\lib");
        try {
            //加载class文件
            Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.Test");

            if(c != null){
                try {
                    Object obj = c.newInstance();
                    Method method = c.getDeclaredMethod("say",null);
                    //通过反射调用Test类的say方法
                    method.invoke(obj, null);
                } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                        | NoSuchMethodException
                        | SecurityException | 
                        IllegalArgumentException | 
                        InvocationTargetException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

}

测试结果：

测试结果

可以看到，Test类的say方法正确执行，也就是我们写的DiskClassLoader编写成功。

参考：
1、一看你就懂，超详细java中的ClassLoader详解
2、 Java Classloader原理分析