Java虚拟机：深入详细分析Java ClassLoader原理与源码

 

一、什么是ClassLoader?

         ClassLoader就是类加载器，当我们写好一个Java程序之后，都是由若干个.class文件组成的一个完整的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。如果一次性加载那么多jar包那么多class，那内存不就崩溃了？所以ClassLoader就是用来动态加载class文件到内存当中用的。

1、Class文件的认识：

我们都知道在Java中程序是运行在虚拟机中，我们平常用文本编辑器或者是IDE编写的程序都是.java格式的文件，这是最基础的源码，但这类文件是不能直接运行的。如我们编写一个简单的程序HelloWorld.java：

public class HelloWorld{
	public static void main(String[] args){
		System.out.println("Hello world!");
	}
}

如图：

可以看到目录下生成了.class文件，我们再从命令行中执行命令：

java HelloWorld

上面是基本代码示例，这里重新拿出来是想让大家将焦点回到class文件上，class文件是字节码格式文件，java虚拟机并不能直接识别我们平常编写的.java源文件，所以需要javac这个命令转换成.class文件。另外，如果用C或者Python 编写的程序正确转换成.class文件后，java虚拟机也是可以识别运行的。

 

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，可以通过启动jvm时指定-Xbootclasspath和路径来改变Bootstrap ClassLoader的加载目录。比如java -Xbootclasspath/a:path，被指定的文件追加到默认的bootstrap路径中。也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：

URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
	System.out.println(urls[i].toExternalForm());
}

以下内容是上述程序从本机JDK环境所获得的结果：

file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/classes/

其实上述结果也是通过查找sun.boot.class.path这个系统属性所得知的。 

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

打印结果：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\resources.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\rt.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\sunrsasign.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jsse.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jce.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\charsets.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jfr.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\classes

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。还可以加载-D java.ext.dirs选项指定的目录。

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。

        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。

 

三、ClassLoader加载类的原理：

 1、原理介绍：

       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，是组合关系），虚拟机内置的启动类加载器（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。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。

整个流程可以如下图所示：

可以发现委托是从下向上，然后具体查找过程却是自上至下。

2、为什么要使用双亲委托这种模型呢？

       因为这样可以避免重复加载，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。考虑到安全因素，我们试想一下，如果不使用这种委托模式，那我们就可以随时使用自定义的String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、 但是JVM在搜索类的时候，又是如何判定两个class是相同的呢？

     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。比如网络上的一个Java类org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple，javac编译之后生成字节码文件NetClassLoaderSimple.class，ClassLoaderA和ClassLoaderB这两个类加载器并读取了NetClassLoaderSimple.class文件，并分别定义出了java.lang.Class实例来表示这个类，对于JVM来说，它们是两个不同的实例对象，但它们确实是同一份字节码文件，如果试图将这个Class实例生成具体的对象进行转换时，就会抛运行时异常java.lang.ClassCaseException，提示这是两个不同的类型。现在通过实例来验证上述所描述的是否正确：

（1）在web服务器上建一个org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple.java类

package org.classloader.simple;
 
public class NetClassLoaderSimple {
	
	private NetClassLoaderSimple instance;
 
	public void setNetClassLoaderSimple(Object obj) {
		this.instance = (NetClassLoaderSimple)obj;
	}
}

org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple类的setNetClassLoaderSimple方法接收一个Object类型参数，并将它强制转换成org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple类型。 

（2）测试两个class是否相同（NetWorkClassLoader.java）

package classloader;
 
public class NewworkClassLoaderTest {
 
	public static void main(String[] args) {
		try {
			//测试加载网络中的class文件
			String rootUrl = "http://localhost:8080/httpweb/classes";
			String className = "org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple";
			NetworkClassLoader ncl1 = new NetworkClassLoader(rootUrl);
			NetworkClassLoader ncl2 = new NetworkClassLoader(rootUrl);
			Class clazz1 = ncl1.loadClass(className);
			Class clazz2 = ncl2.loadClass(className);
			Object obj1 = clazz1.newInstance();
			Object obj2 = clazz2.newInstance();
			clazz1.getMethod("setNetClassLoaderSimple", Object.class).invoke(obj1, obj2);
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
	
}

首先获得网络上一个class文件的二进制名称，然后通过自定义的类加载器NetworkClassLoader创建两个实例，并根据网络地址分别加载这份class，并得到这两个ClassLoader实例加载后生成的Class实例clazz1和clazz2，最后将这两个Class实例分别生成具体的实例对象obj1和obj2，再通过反射调用clazz1中的setNetClassLoaderSimple方法。

（3）查看测试结果：

结论：从结果中可以看出，虽然是同一份class字节码文件，但是由于被两个不同的ClassLoader实例所加载，所以JVM认为它们就是两个不同的类。

 

三、源码解析：

我们看到了系统的3个类加载器，他们的具体执行顺序为Bootstrap CLassloder → Extention ClassLoader→AppClassLoader

为了更好的理解，我们可以查看源码。

1、sum.misc.Launcher：

它是一个java虚拟机的入口应用。

public class Launcher {
    private static Launcher launcher = new Launcher();
    private static String bootClassPath =
        System.getProperty("sun.boot.class.path");

    public static Launcher getLauncher() {
        return launcher;
    }

    private ClassLoader loader;

    public Launcher() {
        // Create the extension class loader
        ClassLoader extcl;
        try {
            extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create extension class loader", e);
        }

        // Now create the class loader to use to launch the application
        try {
            loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create application class loader", e);
        }

        //设置AppClassLoader为线程上下文类加载器，这个文章后面部分讲解
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
    }

    /*
     * Returns the class loader used to launch the main application.
     */
    public ClassLoader getClassLoader() {
        return loader;
    }
    /*
     * The class loader used for loading installed extensions.
     */
    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {}

/**
     * The class loader used for loading from java.class.path.
     * runs in a restricted security context.
     */
    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {}

源码有精简，我们可以得到相关的信息。

（1）Launcher初始化了ExtClassLoader和AppClassLoader。

（2）Launcher中并没有看见BootstrapClassLoader，但通过System.getProperty("sun.boot.class.path")得到了字符串bootClassPath,这个应该就是BootstrapClassLoader加载的jar包路径。

我们可以先代码测试一下sun.boot.class.path是什么内容。

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

得到的结果是：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\resources.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\rt.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\sunrsasign.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jsse.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jce.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\charsets.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jfr.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\classes

可以看到，这些全是JRE目录下的jar包或者是class文件。

2、ExtClassLoader源码：

如果你有足够的好奇心，你应该会对它的源码感兴趣：

/*
     * The class loader used for loading installed extensions.
     */
    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {

        static {
            ClassLoader.registerAsParallelCapable();
        }

        /**
         * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created
         * within a context that limits which files it can read
         */
        public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException
        {
            final File[] dirs = getExtDirs();

            try {
                // Prior implementations of this doPrivileged() block supplied
                // aa synthesized ACC via a call to the private method
                // ExtClassLoader.getContext().

                return AccessController.doPrivileged(
                    new PrivilegedExceptionAction() {
                        public ExtClassLoader run() throws IOException {
                            int len = dirs.length;
                            for (int i = 0; i < len; i++) {
                                MetaIndex.registerDirectory(dirs[i]);
                            }
                            return new ExtClassLoader(dirs);
                        }
                    });
            } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {
                throw (IOException) e.getException();
            }
        }

        private static File[] getExtDirs() {
            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;
        }
 
......
    }

我们先前的内容有说过，可以指定-D java.ext.dirs参数来添加和改变ExtClassLoader的加载路径。这里我们通过可以编写测试代码。

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

结果如下：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

3、AppClassLoader源码：

/**
     * The class loader used for loading from java.class.path.
     * runs in a restricted security context.
     */
    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {


        public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader extcl)
            throws IOException
        {
            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);
                }
            });
        }

        ......
    }

可以看到AppClassLoader加载的就是java.class.path下的路径。我们同样打印它的值。

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

结果：

D:\workspace\ClassLoaderDemo\bin

这个路径其实就是当前java工程目录bin，里面存放的是编译生成的class文件。

好了，自此我们已经知道了BootstrapClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader实际是查阅相应的环境属性sun.boot.class.path、java.ext.dirs和java.class.path来加载资源文件的。

4、父加载器不是父类：

（1）接下来我们先验证ClassLoader加载类的原理： 

测试1：打印ClassLoader类的层次结构，请看下面这段代码：

ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();	//获得加载ClassLoaderTest.class这个类的类加载器
while(loader != null) {
	System.out.println(loader);
	loader = loader.getParent();	//获得父类加载器的引用
}
System.out.println(loader);

 打印结果：

第一行结果说明：ClassLoaderTest的类加载器是AppClassLoader。

第二行结果说明：AppClassLoader的类加器是ExtClassLoader，即parent=ExtClassLoader。

第三行结果说明：ExtClassLoader的类加器是Bootstrap ClassLoader，因为Bootstrap ClassLoader不是一个普通的Java类，所以ExtClassLoader的parent=null，所以第三行的打印结果为null就是这个原因。（详细原因下面会讲）

测试2：将ClassLoaderTest.class打包成ClassLoaderTest.jar，放到Extension ClassLoader的加载目录下（JAVA_HOME/jre/lib/ext），然后重新运行这个程序，得到的结果会是什么样呢？

打印结果：

打印结果分析：为什么第一行的结果是ExtClassLoader呢？

      因为ClassLoader的委托模型机制，当我们要用ClassLoaderTest.class这个类的时候，AppClassLoader在试图加载之前，先委托给Bootstrcp ClassLoader，Bootstracp ClassLoader发现自己没找到，它就告诉ExtClassLoader，兄弟，我这里没有这个类，你去加载看看，然后Extension ClassLoader拿着这个类去它指定的类路径（JAVA_HOME/jre/lib/ext）试图加载，唉，它发现在ClassLoaderTest.jar这样一个文件中包含ClassLoaderTest.class这样的一个文件，然后它把找到的这个类加载到内存当中，并生成这个类的Class实例对象，最后把这个实例返回。所以ClassLoaderTest.class的类加载器是ExtClassLoader。

第二行的结果为null，是因为ExtClassLoader的父类加载器是Bootstrap ClassLoader。

测试3：用Bootstrcp ClassLoader来加载ClassLoaderTest.class，有两种方式：

1、在jvm中添加-Xbootclasspath参数，指定Bootstrcp ClassLoader加载类的路径，并追加我们自已的jar（ClassTestLoader.jar）

2、将class文件放到JAVA_HOME/jre/classes/目录下（上面有提到）

方式1：（我用的是Eclipse开发工具，用命令行是在java命令后面添加-Xbootclasspath参数）

打开Run配置对话框：

配置好如图中所述的参数后，重新运行程序，产的结果如下所示：（类加载的过程，只摘下了一部份）

打印结果：

[Loaded java.io.FileReader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.nio.cs.StreamDecoder from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.ArrayList from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.reflect.Array from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.Locale from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$Node from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.CharacterDataLatin1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.io.ObjectStreamClass from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.net.www.ParseUtil from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.BitSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.net.Parts from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.net.URLStreamHandler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.net.www.protocol.file.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.HashSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.net.www.protocol.jar.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader$1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Path C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]
[Loaded classloader.ClassLoaderTest from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]
null  //这是打印的结果
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes;c:\ClassLoaderTest.jar  
//这一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));打印出来的。这个路径就是Bootstrcp ClassLoader默认搜索类的路径
[Loaded java.lang.Shutdown from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]

方式2：将ClassLoaderTest.jar解压后，放到JAVA_HOME/jre/classes目录下，如下图所示：

提示：jre目录下默认没有classes目录，需要自己手动创建一个

打印结果：

从结果中可以看出，两种方式都实现了将ClassLoaderTest.class由Bootstrcp ClassLoader加载成功了。

（2）为什么上面输出的Bootstrcp ClassLoader的值是null呢？

难道是Bootstrcp ClassLoader类加载器没有加载？当然不是！要想弄明白这些，我们首先得知道一个前提：父加载器不是父类。

我们先前已经粘贴了ExtClassLoader和AppClassLoader的代码。

static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {}
static class AppClassLoader extends URLClassLoader {}

可以看见ExtClassLoader和AppClassLoader同样继承自URLClassLoader，但上面一小节代码中，为什么调用AppClassLoader的getParent()代码会得到ExtClassLoader的实例呢？先从URLClassLoader说起，这个类又是什么？

先上一张类的继承关系图：

URLClassLoader的源码中并没有找到getParent()方法。这个方法在ClassLoader.java中。

public abstract class ClassLoader {

// The parent class loader for delegation
// Note: VM hardcoded the offset of this field, thus all new fields
// must be added *after* it.
private final ClassLoader parent;
// The class loader for the system
    // @GuardedBy("ClassLoader.class")
private static ClassLoader scl;

private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
    this.parent = parent;
    ...
}
protected ClassLoader(ClassLoader parent) {
    this(checkCreateClassLoader(), parent);
}
protected ClassLoader() {
    this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
}
public final ClassLoader getParent() {
    if (parent == null)
        return null;
    return parent;
}
public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
    initSystemClassLoader();
    if (scl == null) {
        return null;
    }
    return scl;
}

private static synchronized void initSystemClassLoader() {
    if (!sclSet) {
        if (scl != null)
            throw new IllegalStateException("recursive invocation");
        sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher();
        if (l != null) {
            Throwable oops = null;
            //通过Launcher获取ClassLoader
            scl = l.getClassLoader();
            try {
                scl = AccessController.doPrivileged(
                    new SystemClassLoaderAction(scl));
            } catch (PrivilegedActionException pae) {
                oops = pae.getCause();
                if (oops instanceof InvocationTargetException) {
                    oops = oops.getCause();
                }
            }
            if (oops != null) {
                if (oops instanceof Error) {
                    throw (Error) oops;
                } else {
                    // wrap the exception
                    throw new Error(oops);
                }
            }
        }
        sclSet = true;
    }
}
}

我们可以看到getParent()实际上返回的就是一个ClassLoader对象parent，parent的赋值是在ClassLoader对象的构造方法中，它有两个情况：

（1）由外部类创建ClassLoader时直接指定一个ClassLoader为parent。

（2）由getSystemClassLoader()方法生成，也就是在sun.misc.Laucher通过getClassLoader()获取，也就是AppClassLoader。直白的说，一个ClassLoader创建时如果没有指定parent，那么它的parent默认就是AppClassLoader。

我们主要研究的是ExtClassLoader与AppClassLoader的parent的来源，正好它们与Launcher类有关，我们上面已经粘贴过Launcher的部分代码。

public class Launcher {
    private static URLStreamHandlerFactory factory = new Factory();
    private static Launcher launcher = new Launcher();
    private static String bootClassPath =
        System.getProperty("sun.boot.class.path");

    public static Launcher getLauncher() {
        return launcher;
    }

    private ClassLoader loader;

    public Launcher() {
        // Create the extension class loader
        ClassLoader extcl;
        try {
            extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create extension class loader", e);
        }

        // Now create the class loader to use to launch the application
        try {
	    //将ExtClassLoader对象实例传递进去
            loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create application class loader", e);
        }

public ClassLoader getClassLoader() {
        return loader;
    }
static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {

        /**
         * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created
         * within a context that limits which files it can read
         */
        public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException
        {
            final File[] dirs = getExtDirs();

            try {
                // Prior implementations of this doPrivileged() block supplied
                // aa synthesized ACC via a call to the private method
                // ExtClassLoader.getContext().

                return AccessController.doPrivileged(
                    new PrivilegedExceptionAction() {
                        public ExtClassLoader run() throws IOException {
                            //ExtClassLoader在这里创建
                            return new ExtClassLoader(dirs);
                        }
                    });
            } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {
                throw (IOException) e.getException();
            }
        }


        /*
         * Creates a new ExtClassLoader for the specified directories.
         */
        public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
            super(getExtURLs(dirs), null, factory);
           
        }
        }
 }

我们需要注意的是：

ClassLoader extcl;
        
extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();

loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);

代码已经说明了问题AppClassLoader的parent是一个ExtClassLoader实例。

ExtClassLoader并没有直接找到对parent的赋值。它调用了它的父类也就是URLClassLoder的构造方法并传递了3个参数。

public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
            super(getExtURLs(dirs), null, factory);   
}

对应的代码：

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

答案已经很明了了，ExtClassLoader的parent为null。

上面张贴这么多代码也是为了说明AppClassLoader的parent是ExtClassLoader，ExtClassLoader的parent是null。这符合我们之前编写的测试代码。

不过，细心的同学发现，还是有疑问的我们只看到ExtClassLoader和AppClassLoader的创建，那么BootstrapClassLoader呢？

还有，ExtClassLoader的父加载器为null,但是Bootstrap CLassLoader却可以当成它的父加载器这又是为何呢？

我们继续往下进行。

（3）Bootstrap ClassLoader是由C++编写的：

Bootstrap ClassLoader是由C/C++编写的，它本身是虚拟机的一部分，所以它并不是一个JAVA类，也就是无法在java代码中获取它的引用，JVM启动时通过Bootstrap类加载器加载rt.jar等核心jar包中的class文件，之前的int.class,String.class都是由它加载。然后呢，我们前面已经分析了，JVM初始化sun.misc.Launcher并创建Extension ClassLoader和AppClassLoader实例。并将ExtClassLoader设置为AppClassLoader的父加载器。Bootstrap没有父加载器，但是它却可以作用一个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。具体是什么原因，很快就知道答案了。

（4）重要方法：

①loadClass()：

JDK文档中是这样写的，通过指定的全限定类名加载class，它通过同名的loadClass(String,boolean)方法。

protected Class loadClass(String name,
                             boolean resolve)
                      throws ClassNotFoundException

上面是方法原型，一般实现这个方法的步骤是

1. 执行findLoadedClass(String)去检测这个class是不是已经加载过了。
2. 执行父加载器的loadClass方法。如果父加载器为null，则jvm内置的加载器去替代，也就是Bootstrap ClassLoader。这也解释了ExtClassLoader的parent为null,但仍然说Bootstrap ClassLoader是它的父加载器。
3. 如果向上委托父加载器没有加载成功，则通过findClass(String)查找。

如果class在上面的步骤中找到了，参数resolve又是true的话，那么loadClass()又会调用resolveClass(Class)这个方法来生成最终的Class对象。 我们可以从源代码看出这个步骤。

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;
        }
    }

 

 

四、定义自已的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。

1、定义自已的类加载器的步骤为：

（1）继承java.lang.ClassLoader抽象类；

（2）重写父类的findClass方法，改变搜索类的算法；

（3）在findClass()中调用defineClass()，将class的字节码数组转换成Class类的实例。

读者可能在这里有疑问，父类有那么多方法，为什么偏偏只重写findClass方法？

因为JDK已经在loadClass方法中帮我们实现了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，所以我们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。下图是API中ClassLoader的loadClass方法：

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。

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

package classloader;
 
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.URL;
 
/**
 * 加载网络class的ClassLoader
 */
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 = null;//this.findLoadedClass(name); // 父类已加载	
		//if (clazz == null) {	//检查该类是否已被加载过
			byte[] classData = getClassData(name);	//根据类的二进制名称,获得该class文件的字节码数组
			if (classData == null) {
				throw new ClassNotFoundException();
			}
			clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length);	//将class的字节码数组转换成Class类的实例
		//} 
		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 = -1;
			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";
	}
}

测试类：

package classloader;
 
public class ClassLoaderTest {
 
	public static void main(String[] args) {
		try {
			/*ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();	//获得ClassLoaderTest这个类的类加载器
			while(loader != null) {
				System.out.println(loader);
				loader = loader.getParent();	//获得父加载器的引用
			}
			System.out.println(loader);*/
			
 
			String rootUrl = "http://localhost:8080/httpweb/classes";
			NetworkClassLoader networkClassLoader = new NetworkClassLoader(rootUrl);
			String classname = "org.classloader.simple.NetClassLoaderTest";
			Class clazz = networkClassLoader.loadClass(classname);
			System.out.println(clazz.getClassLoader());
			
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
	
}

打印结果：

下图是我机器上web服务器的目录结构：

目前常用web服务器中都定义了自己的类加载器，用于加载web应用指定目录下的类库（jar或class），如：Weblogic、Jboss、tomcat等，下面我以Tomcat为例，展示该web容器都定义了哪些个类加载器：

1、新建一个web工程httpweb

2、新建一个ClassLoaderServletTest，用于打印web容器中的ClassLoader层次结构

import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;
 
import javax.servlet.ServletException;
import javax.servlet.http.HttpServlet;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
 
public class ClassLoaderServletTest extends HttpServlet {
 
	public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
			throws ServletException, IOException {
 
		response.setContentType("text/html");
		PrintWriter out = response.getWriter();
		ClassLoader loader = this.getClass().getClassLoader();
		while(loader != null) {
			out.write(loader.getClass().getName()+"
");
			loader = loader.getParent();
		}
		out.write(String.valueOf(loader));
		out.flush();
		out.close();
	}
	
	public void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
			throws ServletException, IOException {
		this.doGet(request, response);
	}
 
}

3、配置Servlet，并启动服务：

  
    ClassLoaderServletTest
    ClassLoaderServletTest
  
 
  
    ClassLoaderServletTest
    /servlet/ClassLoaderServletTest
  
  
    index.jsp
  

 4、访问Servlet，获得显示结果：

 

五、总结：

ClassLoader用来加载class文件的。

系统内置的ClassLoader通过双亲委托来加载指定路径下的class和资源。

可以自定义ClassLoader一般覆盖findClass()方法。

ContextClassLoader与线程相关，可以获取和设置，可以绕过双亲委托的机制。

 

 

本文整理自以下的这两篇博客：

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

https://blog.csdn.net/briblue/article/details/54973413#commentBox