目录
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一、类加载器
- 1、BootstrapClassLoader 启动类加载器
- 2、ExtensionClassLoader 扩展类加载器
- 3、ApplicationClassLoader 应用类加载器
- 4、CustomClassLoader 自定义类加载器
- 5、线程上下文类加载器
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二、java虚拟机入口应用：sun.misc.Launcher
- 1、sun.misc.Launcher 主入口
- 2、内部类 ExtClassLoader extends URLClassLoader源码
- 3、内部类 AppClassLoader extends URLClassLoader源码
- 4、真实父类URLClassLoader extends ClassLoader源码
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三、双亲委派模型
- 1、工作流程
- 2、意义说明
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四、ClassLoader源码分析
- 1、loadClass 实现双亲委派逻辑
- 2、findClass 通过path找到.class加载进byte[]二进制数组
- 3、defineClass(byte[] b) 将二进制数组转成Class字节码对象
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五、自定义类加载器
- 1、作用
- 2、实现逻辑
- 3、示例
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六、加载类的三种方式
- 1.分类：
- 2.三种方式的区别
一、什么是类的加载（类初始化）
类加载器的任务是，根据类的全限定名来读取类的二进制字节流，加载进JVM。并转换成对应的java.lang.Class对象实例。
image.png
1、BootstrapClassLoader
启动类加载器主要加载的是JVM自身需要的类，这个类加载使用C++语言实现的，是虚拟机自身的一部分，负责加载存放在 JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被 -Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.开头的类均被 BootstrapClassLoader加载）。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。总结一句话：启动类加载器加载java运行过程中的核心类库JRE\lib\rt.jar, sunrsasign.jar, charsets.jar, jce.jar, jsse.jar, plugin.jar 以及存放在JRE\classes里的类，也就是JDK提供的类等常见的比如：Object、Stirng、List…
2、ExtensionClassLoader
该加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载 JDK\jre\lib\ext目录中，或者由 java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器
3、ApplicationClassLoader
ApplicationClassLoader，该类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。总结一句话：应用程序类加载器加载CLASSPATH变量指定路径下的类 即指你自已在项目工程中编写的类
4、CustomClassLoader
5、线程上下文类加载器
Thread.currentThread().getContextClassLoader()获取线程上下文类加载器，线程上下文加载器其实很重要，它违背（破坏）双亲委派模型，很好地打破了双亲委派模型的局限性，尽管我们在开发中很少用到，但是框架组件开发绝对要频繁使用到线程上下文类加载器，如Tomcat等等…
二、java虚拟机入口应用：sun.misc.Launcher
1、 Launcher类就是类加载器的入口工具类，其中维护了四种加载器。
1、bootClassPath ，这个是c实现的，我们在java层面看不到
2、extcl = ExtClassLoader 扩展类加载器，用于加载java.ext.dirs目录下的类。
3、loader = AppClassLoader(dirs,extcl) 应用类加载器，将扩展类加载设置给AppClassLoader，当做逻辑父类parent，加载用户java.class.path下的类。
4、Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader); 将当前类加载器设置给线程上下文类加载器
逻辑父类是我的个人理解：
1、因为本身ExtClassLoader、AppClassLoader都是集成的URLClassLoader。并不没有真正意义上的继承关系。
2、这里设置parent，只是在URLClassLoader里存储了一个parent的对象。然后开放了一个getParent()的方法。实现了形式上的父类关系。
3、为什么要这样做呢？主要是为了实现双亲委派模型，让他们有了逻辑上的“父子”关系。
import sun.misc.SharedSecrets;
import sun.misc.URLClassPath;
import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;
import java.security.AccessController;
import java.security.PrivilegedAction;
import java.security.PrivilegedExceptionAction;
import java.util.StringTokenizer;
import java.util.Vector;
public class Launcher {
private static Launcher launcher = new Launcher();
//这个就是BootstrapClassLoader的位置
private static String bootClassPath =
System.getProperty("sun.boot.class.path");
public static Launcher getLauncher() {
return launcher;
}
//应用层类加载器
private ClassLoader loader;
public Launcher() {
// Create the extension class loader
//扩展类加载器
ClassLoader extcl;
try {
//初始化内部类扩展类加载器对象。
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
//通过内部类，获取应用层类加载器对象
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，这里注意设置给线程的是应用层加载器loader。
//等Thread.currentThread().getContextClassLoader()时获取的就是应用层加载器对象
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.
* 扩展类加载器:
* 负责加载存放在JRE的lib/ext/目录下的jar包中的Class。
*
* 当然我们可以指定-D java.ext.dirs参数来添加和改变ExtClassLoader的加载路径
*/
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 {
//获取java.ext.dirs路径下所有文件
final File[] dirs = getExtDirs();
try {
// Prior implementations of this doPrivileged() block supplied
// aa synthesized ACC via a call to the private method
// ExtClassLoader.getContext().
//这里具体ACC（AccessController）的原理不再细看了，只看结果就好。
//1、这里的意思就是run方法里或返回一个 ExtClassLoader对象，但是默认走父类URLClassLoader的构造方法。
// 将dirs目录设置给URLClassLoader()。
//2、这个意思其实就是相当于ExtClassLoader没有做特殊的处理，仅仅就是用父类的URLClassLoader得方法。
// 而ExtClassLoader只是初始化了一下东西。和AppClassLoader很相似
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();
}
}
public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
super(getExtURLs(dirs), (ClassLoader)null, sun.misc.Launcher.factory);
SharedSecrets.getJavaNetAccess().getURLClassPath(this).initLookupCache(this);
}
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;
}
private static URL[] getExtURLs(File[] var0) throws IOException {
Vector var1 = new Vector();
for(int var2 = 0; var2 < var0.length; ++var2) {
String[] var3 = var0[var2].list();
if (var3 != null) {
for(int var4 = 0; var4 < var3.length; ++var4) {
if (!var3[var4].equals("meta-index")) {
File var5 = new File(var0[var2], var3[var4]);
var1.add(sun.misc.Launcher.getFileURL(var5));
}
}
}
}
URL[] var6 = new URL[var1.size()];
var1.copyInto(var6);
return var6;
}
}
/**
* The class loader used for loading from java.class.path.
* runs in a restricted security context.
*
* 应用类加载器：
* 和ExtClassloader一样，只是将类的目录设置给URLClassLoader了。
*
* 同时需要说明的是，
* 参数1：类的加载目录，java.class.path。就是我们的项目目录
* 参数2：设置父类ExtClassLoader，实际上并不是真正的继承关系，
* 因为AppClassLoader和ExtClassLoader都extends URLClassLoader。
* 只是逻辑意义上的parent，目的是实现双亲委派模型。
*/
static class AppClassLoader extends URLClassLoader {
final URLClassPath ucp = SharedSecrets.getJavaNetAccess().getURLClassPath(this);
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);
//将java.class.path的项目目录的类，同时设置逻辑意义的parent extcl，就是上边初始化的ExtClassLoader对象
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) {
//第二个参数是parent，也就是实现逻辑父子关系的方式。将parent存储下来，然后暴露getParent()返回parent
super(urls, parent, sun.misc.Launcher.factory);
this.ucp.initLookupCache(this);
}
}
}
2、 ExtClassLoader 源码
源码已经在Launcher里粘过了，这里总结一下。
1、ExtClassLoader 是Launcher的内部类
2、extends URLClassLoader的子类
3、负责加载java.ext.dirs目录下的类
4、可以指定-D java.ext.dirs参数来添加和改变ExtClassLoader的加载路径
3、AppClassLoader
1、AppClassLoader 是Launcher的内部类
2、extends URLClassLoader的子类。
3、负责加载java.class.path目录下的类，即用户代码里的类
4、和ExtClassLoader是逻辑父子关系，4.1因为他们都是直接集成URLClassLoader,并没有真实的继承关系。
4.2但是初始化AppClassLoader时，实际使用的是URLClassLoader(dirs,parent)构造函数，第二个参数是存储一个parent对象。然后暴露一个getParent()方法实现逻辑意义上的父子关系
4、URLClassLoader
正如上边所说的，
- 1、AppClassLoader、ExtClassLoader实际上并没有继承关系，只是在AppClassLoader里存了一个叫做parent的ExtClassLoader对象而已，也就是逻辑父类。
- 2、那么按这样理解，是不是ExtClassLoader会存一个BootStrapClassLoader的对象呢？其实并没有，而是在ClassLoader中单独有一个native的c方法 findBootstrapClass() ，底层是c实现的。作用就是通过BootStrapClassLoader实现对类的加载。也就是说BootStrapClassLoader是底层c写的，并没有一个实际的java类。
简单看一下继承关系：
image.png
看一下关键代码：
import sun.reflect.CallerSensitive;
import sun.reflect.Reflection;
import java.io.Closeable;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.security.AccessController;
import java.security.PrivilegedActionException;
import java.security.PrivilegedExceptionAction;
import java.security.SecureClassLoader;
public class URLClassLoader extends SecureClassLoader implements Closeable {
...
}
public class SecureClassLoader extends ClassLoader {
...
}
public abstract class ClassLoader {
...
//这个存储的就是逻辑父类的对象。
//1、AppClassLoader存储的是ExtClassLoader的对象。
//2、ExtClassLoader存储的是null。
//
// 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 java.lang.ClassLoader parent;
@CallerSensitive
public final java.lang.ClassLoader getParent() {
if (parent == null)
return null;
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
// Check access to the parent class loader
// If the caller's class loader is same as this class loader,
// permission check is performed.
checkClassLoaderPermission(parent, Reflection.getCallerClass());
}
return parent;
}
/**
* Returns a class loaded by the bootstrap class loader;
* or return null if not found.
返回一个通过bootstrapClassLoader加载的class对象。如果没找到就返回null
*/
private Class findBootstrapClassOrNull(String name)
{
if (!checkName(name)) return null;
return findBootstrapClass(name);
}
// return null if not found
private native Class findBootstrapClass(String name);
}
三、双亲委派模型
（1）工作流程：
- 1、类加载器收到加载请求，不会直接加载，而是直接抛给父加载器，类似冒泡式委托。CustomerClassLoader -> AppClassLoader -> ExtClassLoader -> BootStrapClassLoader。
-
2、当加载时，父加载器加载类失败再依次调用子类加载器，进行加载。如果最终customerClassLoader也加载不到，就抛异常。类似递进式加载
image.png
图来自"宜春"大神的：【JVM篇二】
（2）设计意义
- 保证jdk系统类的唯一性，安全性。
双亲委派模式的存在可以保证，java.lang.String等jdk类，不被自定义的类加载器随意替换，防止篡改。
四、ClassLoader源码分析
1、ClassLoader#loadClass()源码分析
public abstract class ClassLoader {
protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 1、判断是否加载过该类
// First, check if the class has already been loaded
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
//2、如果有父加载器，则调用逻辑父加载器。加载成功就会存起来。在findClass里查找
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
//3、使用BootstrapClassLoader加载器加载类
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();
//4、通过子类自定义的方法加载类。
//这个方法是我们自定义类加载器的主要重写方法。默认是抛出异常。
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;
}
}
}
2、URLClassLoader#findClass()源码分析
这个方法的作用就是
1、通过path路径找到.class文件，
2、将.class加载进内存byte[]二进制数组，调用defineClass方法将byte[]转换成java可以使用的Class字节码对象
默认ClassLoader的findClass方法是空方法。
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
我们这里以URLClassLoader的findClass为例看源码：
/**
* Finds and loads the class with the specified name from the URL search
* path. Any URLs referring to JAR files are loaded and opened as needed until the class is found.
*
* 从URL路径中查找并加载具有特定名称的类。
* 所有JAR包下的class使用之前都需要先加载进内存。
*
* @param name the name of the class
* @return the resulting class
* @exception ClassNotFoundException if the class could not be found,
* or if the loader is closed.
* @exception NullPointerException if {@code name} is {@code null}.
*/
protected Class findClass(final String name)
throws ClassNotFoundException
{
final Class result;
try {
result = AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction>() {
public Class run() throws ClassNotFoundException {
//name就是定义的类路径。
// 例如：AppClassLoader默认设置的是java.class.path.上边Launcher源码里可以看到
String path = name.replace('.', '/').concat(".class");
Resource res = ucp.getResource(path, false);
if (res != null) {
try {
//通过路径来找到对应的.class文件，并将二进制数据转换生成Class对象
return defineClass(name, res);
} catch (IOException e) {
throw new ClassNotFoundException(name, e);
}
} else {
return null;
}
}
}, acc);
} catch (java.security.PrivilegedActionException pae) {
throw (ClassNotFoundException) pae.getException();
}
if (result == null) {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
return result;
}
3、ClassLoader#defineClass(byte[] b, int off, int len)源码分析
我们这里只看最内层重载函数。
这个方法主要作用就是通过native的c语言的方法，将二进制数组转成java 可以使用的Class字节码对象。
protected final Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,
ProtectionDomain protectionDomain)
throws ClassFormatError
{
protectionDomain = preDefineClass(name, protectionDomain);
String source = defineClassSourceLocation(protectionDomain);
//调用native方法，将二进制数组转成class对象
Class c = defineClass1(name, b, off, len, protectionDomain, source);
postDefineClass(c, protectionDomain);
return c;
}
4、小结
- loadClass() 作用就是实现双亲委派机制的逻辑
- findClass() 作用就是通过path，找到.class文件，并加载进内存（放到byte[]二进制数组中）。
- defineClass() 作用就是将二进制数组byte[]转成java能使用的Class字节码对象
五、自定义类加载器
1、作用
核心是扩展java虚拟机的动态加载类的机制，用户可以定制类的加载逻辑，比如：热更新。就是通过自定类加载器，来加载网络请求的类。将.class文件通过网络下载到本地，然后通过自定义的类加载器加载。
2、实现逻辑
通过上边对ClassLoader的源码分析。已经很清楚了，我们可以直接继承ClassLoader
- 1、重写loadClass()方法。但是jdk1.2之后官方已经不建议直接重写loadClass()了，因为那有可能不符合双亲委派机制了，毕竟是在这个方法实现的双亲委派逻辑。
- 2、重写findClass()方法，通常来说，我们重写这个方法足够了。这个方法是找到.class文件并加载进内存，存到byte[]二进制数组中。
3、示例
（1）创建一个Demo.class文件
- 1、创建package目录com.test的Demo.java文件。
注意package包名必须有，这是java文件规范。默认就是文件目录。
- 2、使用javac Demo.java 命令直接生成Demo.class文件
- 3、放到/Users/wangzheng/workspace_java/com/test 目录下，准备使用自定义加载器加载
package com.test;
public class Demo {
public Demo(){
System.out.println("================================");
System.out.println("我是MyClassLoader加载器加载进内存的。");
System.out.println("================================");
}
}
（2）自定义MyClassLoader类加载器
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.FileInputStream;
public class MyClassLoaderDemo extends ClassLoader {
//自定义根目录
String customRootPath = "";
public MyClassLoaderDemo(String rootPath) {
this.customRootPath = rootPath;
}
@Override
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
final Class result;
//1、拼接成自定义的.class存储目录。也就是Demo.class的目录
String filePath = customRootPath + '/' + name.replace('.', '/').concat(".class");
//2、通过Demo.class目录，文件流方式加载进byte[]二进制数组。
byte[] bytes = loadPathToByteArray(filePath);
//3、调用native的方法，将byte[]二进制数组，转成Class字节码对象
result = defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
return result;
}
//将路径转成byte[]
private byte[] loadPathToByteArray(String filePath) {
try {
//通过路径，文件流读取到byte[]二进制数组中
FileInputStream fis = new FileInputStream(filePath);
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
int bufferSize = 1024;
byte[] buffer = new byte[bufferSize];
int length = 0;
while ((length = fis.read(buffer)) != -1) {
baos.write(buffer, 0, length);
}
return baos.toByteArray();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
public static void main(String[] args) {
try {
//设置Demo.class文件的根目录。
MyClassLoaderDemo myClassLoaderDemo = new MyClassLoaderDemo("/Users/wangzheng/workspace_java");
//加载Demo.class
Class aClass = myClassLoaderDemo.loadClass("com.test.Demo");
//实例化Demo对象
Object o = aClass.newInstance();
System.out.println(o.getClass().getClassLoader());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
打印结果：
================================
我是MyClassLoader加载器加载进内存的。
================================
com.crm.web.test.MyClassLoaderDemo@64a294a6
六、加载类的三种方式
1、分类
1、静态加载，通过new关键字来实例化对象
2、动态加载，通过Class.forName()方式动态加载对象(反射加载)，然后调用类的newInstance()实例化
3、动态加载，通过类加载器的loadClass()方法来加载类，然后调用类的newInstance()方法实例化对象
2、三种方式的区别
（1）第一种和第二种，使用的是默认类加载器（this.getClass.getClassLoader）。第三种可以使用用户自定义的类加载器
（2）如果需要在当前路径外加载.class文件，那么只能用第三种方式。
（3） Class.forName()和ClassLoader.loadClass()区别：
1、Class.forName(className)一个参数的方法，默认是会加载进内存的同时给static分配内存（初始化）。
2、Class.forName(className,initialize,loader)中间initialize可以控制是否进行(初始化)
3、ClassLoader.loadClass()方式是不会给static分配内存（初始化：参考上一篇文章。）。
public static Class forName(String className)
throws ClassNotFoundException {
Class caller = Reflection.getCallerClass();
//第二个参数，就是是否进行初始化阶段。
return forName0(className, true, ClassLoader.getClassLoader(caller), caller);
}
/**
* 这种三个参数的，initialize就是决定是否进行初始化的。
**/
public static Class forName(String name, boolean initialize,
ClassLoader loader)
throws ClassNotFoundException
{
Class caller = null;
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
// Reflective call to get caller class is only needed if a security manager
// is present. Avoid the overhead of making this call otherwise.
caller = Reflection.getCallerClass();
if (sun.misc.VM.isSystemDomainLoader(loader)) {
ClassLoader ccl = ClassLoader.getClassLoader(caller);
if (!sun.misc.VM.isSystemDomainLoader(ccl)) {
sm.checkPermission(
SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);
}
}
}
return forName0(name, initialize, loader, caller);
}