Java 类加载机制详解

作者：liuxiaopeng
原文地址：http://www.cnblogs.com/paddix/

一、类加载器

类加载器（ClassLoader），顾名思义，即加载类的东西。在我们使用一个类之前，JVM需要先将该类的字节码文件（.class文件）从磁盘、网络或其他来源加载到内存中，并对字节码进行解析生成对应的Class对象，这就是类加载器的功能。我们可以利用类加载器，实现类的动态加载。

二、类的加载机制

在Java中，采用双亲委派机制来实现类的加载。那什么是双亲委派机制？在Java Doc中有这样一段描述：

The ClassLoader class uses a delegation model to search for classes and resources. Each instance of ClassLoader has an associated parent class loader. When requested to find a class or resource, a ClassLoader instance will delegate the search for the class or resource to its parent class loader before attempting to find the class or resource itself. The virtual machine's built-in class loader, called the "bootstrap class loader", does not itself have a parent but may serve as the parent of a ClassLoader instance.

从以上描述中，我们可以总结出如下四点：

1. 类的加载过程采用委托模式实现。
2. 每个 ClassLoader 都有一个父加载器。
3. 类加载器在加载类之前会先递归的去尝试使用父加载器加载。
4. 虚拟机有一个内建的启动类加载器（bootstrap ClassLoader），该加载器没有父加载器，但是可以作为其他加载器的父加载器。

Java 提供三种类型的系统类加载器。第一种是启动类加载器，由C++语言实现，属于JVM的一部分，其作用是加载 /lib目录中的文件，并且该类加载器只加载特定名称的文件（如 rt.jar），而不是该目录下所有的文件。另外两种是 Java 语言自身实现的类加载器，包括扩展类加载器（ExtClassLoader）和应用类加载器（AppClassLoader），扩展类加载器负责加载\lib\ext目录中或系统变量 java.ext.dirs 所指定的目录中的文件。应用程序类加载器负责加载用户类路径中的文件。用户可以直接使用扩展类加载器或系统类加载器来加载自己的类，但是用户无法直接使用启动类加载器，除了这两种类加载器以外，用户也可以自定义类加载器，加载流程如下图所示：

注意：这里父类加载器并不是通过继承关系来实现的，而是采用组合实现的。

我们可以通过一段程序来验证这个过程：

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

上面程序的运行结果如下所示：

从结果我们可以看出，默认情况下，用户自定义的类使用 AppClassLoader 加载，AppClassLoader的父加载器为ExtClassLoader，但是 ExtClassLoader的父加载器却显示为空，这是什么原因呢？究其缘由，启动类加载器属于 JVM 的一部分，它不是由 Java 语言实现的，在 Java 中无法直接引用，所以才返回空。但如果是这样，该怎么实现ExtClassLoader与启动类加载器之间双亲委派机制？我们可以参考一下源码：

protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
       throws ClassNotFoundException
   {
       synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
           // First, check if the class has already been loaded
           Class c = findLoadedClass(name);
           if (c == null) {
               long t0 = System.nanoTime();
               try {
                   if (parent != null) {
                       c = parent.loadClass(name, false);
                   } else {
                       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();
                   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) {
               resolveClass(c);
           }
           return c;
       }
   }

从源码可以看出，ExtClassLoader和AppClassLoader都继承自 ClassLoader类，ClassLoader类中通过loadClass方法来实现双亲委派机制。整个类的加载过程可分为如下三步：

1. 查找对应的类是否已经加载。
2. 若未加载，则判断当前类加载器的父加载器是否为空，不为空则委托给父类去加载，否则调用启动类加载器加载（findBootstrapClassOrNull再往下会调用一个native方法）。
3. 若第二步加载失败，则调用当前类加载器加载。

通过上面这段程序，可以很清楚的看出，扩展类加载器与启动类加载器之间是如何实现委托模式的。

现在，我们再验证另一个问题。我们将刚才的Test类打成jar包，将其放置在\lib\ext目录下，然后再次运行上面的代码，结果如下：

现在，该类就不再通过AppClassLoader来加载，而是通过 ExtClassLoader来加载了。如果我们试图把jar包拷贝到\lib，尝试通过启动类加载器加载该类时，我们会发现编译器无法识别该类，因为启动类加载器除了指定目录外，还必须是特定名称的文件才能加载。

三、自定义类加载器

通常情况下，我们都是直接使用系统类加载器。但是，有的时候，我们也需要自定义类加载器。比如应用是通过网络来传输 Java 类的字节码，为保证安全性，这些字节码经过了加密处理，这时系统类加载器就无法对其进行加载，这样则需要自定义类加载器来实现。自定义类加载器一般都是继承自 ClassLoader类，从上面对loadClass方法来分析来看，我们只需要重写findClass方法即可。下面我们通过一个示例来演示自定义类加载器的流程：

package com.paddx.test.classloading;
 
import java.io.*;
 
/**
 * Created by liuxp on 16/3/12.
 */
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
 
    private String root;
 
    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = loadClassData(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }
 
    private byte[] loadClassData(String className) {
        String fileName = root + File.separatorChar
                + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        try {
            InputStream ins = new FileInputStream(fileName);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int bufferSize = 1024;
            byte[] buffer = new byte[bufferSize];
            int length = 0;
            while ((length = ins.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, length);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
 
    public String getRoot() {
        return root;
    }
 
    public void setRoot(String root) {
        this.root = root;
    }
 
    public static void main(String[] args)  {
 
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
        classLoader.setRoot("/Users/liuxp/tmp");
 
        Class testClass = null;
        try {
            testClass = classLoader.loadClass("com.paddx.test.classloading.Test");
            Object object = testClass.newInstance();
            System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InstantiationException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行上面的程序，输出结果如下：

自定义类加载器的核心在于对字节码文件的获取，如果是加密的字节码则需要在该类中对文件进行解密。由于这里只是演示，我并未对class文件进行加密，因此没有解密的过程。这里有几点需要注意：

1. 这里传递的文件名需要是类的全限定性名称，即com.paddx.test.classloading.Test格式的，因为defineClass方法是按这种格式进行处理的。
2. 最好不要重写loadClass方法，因为这样容易破坏双亲委托模式。
3. 这类Test类本身可以被AppClassLoader类加载，因此我们不能把 com/paddx/test/classloading/Test.class放在类路径下。否则，由于双亲委托机制的存在，会直接导致该类由AppClassLoader加载，而不会通过我们自定义类加载器来加载。

四、总结

双亲委派机制能很好地解决类加载的统一性问题。对一个 Class 对象来说，如果类加载器不同，即便是同一个字节码文件，生成的 Class 对象也是不等的。也就是说，类加载器相当于 Class 对象的一个命名空间。双亲委派机制则保证了基类都由相同的类加载器加载，这样就避免了同一个字节码文件被多次加载生成不同的 Class 对象的问题。但双亲委派机制仅仅是Java 规范所推荐的一种实现方式，它并不是强制性的要求。

近年来，很多热部署的技术都已不遵循这一规则，如 OSGi 技术就采用了一种网状的结构，而非双亲委派机制。