目錄： - 類加載器
- java.lang.ClassLoader類 URLClassLoader與SecureClassLoader ClassLoader常見方法源碼分析
- 雙親委托機(jī)制 圖解 源碼角度分析
- 常見的問題分析
前言：我們剛剛接觸Java時(shí)，在IDE（集成開發(fā)環(huán)境） 或者文本編輯器中所寫的都是.java文件，在編譯后會生成.class文件，又稱字節(jié)碼文件。 javac HelloWorld.java ---> HelloWorld.class 復(fù)制代碼 對于.class文件來說，需要被加載到虛擬機(jī)中才能使用，這個(gè)加載的過程就成為類加載。如果想要知道類加載的方式，就需要知道類加載器和雙親委托機(jī)制的概念。也就是我們本篇所要介紹的內(nèi)容。
1. 類加載器Java中的類加載器可以分為兩種：
而系統(tǒng)類加載器又有3個(gè)： - Bootstrap ClassLoader：啟動類加載器
- Extensions ClassLoader：擴(kuò)展類加載器
- App ClassLoader：也稱為SystemAppClass，系統(tǒng)類加載器
1.1 Bootstrap ClassLoaderBootstrap ClassLoader用來加載JVM(Java虛擬機(jī))運(yùn)行時(shí)所需要的系統(tǒng)類，其使用c++實(shí)現(xiàn)。 從以下路徑來加載類： - %JAVA_HOME%/jre/lib目錄，如rt.jar、resources.jar、charsets.jar等
- 可以在JVM啟動時(shí)，指定-Xbootclasspath參數(shù)，來改變Bootstrap ClassLoader的加載目錄。
Java虛擬機(jī)的啟動就是通過 Bootstrap ClassLoader創(chuàng)建一個(gè)初始類來完成的。 可以通過如下代碼來得出Bootstrap ClassLoader所加載的目錄： public class ClassLoaderTest { public static void main(String[]args) { System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path")); }}復(fù)制代碼
打印結(jié)果為： C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\rt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\jfr.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\classes復(fù)制代碼
可以發(fā)現(xiàn)幾乎都是$JAVA_HOME/jre/lib目錄中的jar包，包括rt.jar、resources.jar和charsets.jar等等。 1.2 Extensions ClassLoaderExtensions ClassLoader（擴(kuò)展類加載器）具體是由ExtClassLoader類實(shí)現(xiàn)的，ExtClassLoader類位于sun.misc.Launcher類中，是其的一個(gè)靜態(tài)內(nèi)部類。對于Launcher類，可以先看成是Java虛擬機(jī)的一個(gè)入口。 ExtClassLoader的部分代碼如下：
Extensions ClassLoader負(fù)責(zé)將JAVA_HOME/jre/lib/ext或者由系統(tǒng)變量-Djava.ext.dir指定位置中的類庫加載到內(nèi)存中。 通過以下代碼可以得到Extensions ClassLoader加載目錄： System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));復(fù)制代碼
打印結(jié)果為： C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext復(fù)制代碼
1.3 App ClassLoader也稱為SystemAppClass（系統(tǒng)類加載器），具體是由AppClassLoader類實(shí)現(xiàn)的，AppClassLoader類也位于sun.misc.Launcher類中。 部分代碼如下：
- 主要加載Classpath目錄下的的所有jar和Class文件，是程序中的默認(rèn)類加載器。這里的Classpath是指我們Java工程的bin目錄。
- 也可以加載通過-Djava.class.path選項(xiàng)所指定的目錄下的jar和Class文件。
通過以下代碼可以得到App ClassLoader加載目錄： System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));復(fù)制代碼
打印結(jié)果為： C:\workspace\Demo\bin復(fù)制代碼
這個(gè)路徑其實(shí)就是當(dāng)前Java工程目錄bin，里面存放的是編譯生成的class文件。
在Java中，除了上述的3種系統(tǒng)提供的類加載器，還可以自定義一個(gè)類加載器。 1.4. 自定義類加載器為了可以從指定的目錄下加載jar包或者class文件，我們可以用繼承java.lang.ClassLoader類的方式來實(shí)現(xiàn)一個(gè)自己的類加載器。 在自定義類加載器時(shí)，我們一般復(fù)寫findClass方法，并在findClass方法中調(diào)用defineClass方法。 接下來會先介紹下ClassLoader類相關(guān)的具體內(nèi)容，之后看一個(gè)自定義類加載器demo。 2 java.lang.ClassLoader類2.1 ClassLoader、URLClassLoader與SecureClassLoader的關(guān)系從上面關(guān)于ExtClassLoader、AppClassLoader源碼圖中我們可以看到，他們都繼承自URLClassLoader，那這個(gè)URLClassLoader是什么，其背后又有什么呢？ 先來一張很重要的繼承關(guān)系圖：
- ClassLoader是一個(gè)抽象類，位于java.lang包下，其中定義了ClassLoader的主要功能。
- SecureClassLoader繼承了抽象類ClassLoader，但SecureClassLoader并不是ClassLoader的實(shí)現(xiàn)類，而是拓展了ClassLoader類加入了權(quán)限方面的功能，加強(qiáng)了ClassLoader的安全性。
- URLClassLoader繼承自SecureClassLoader，用來通過URl路徑從jar文件和文件夾中加載類和資源。
- ExtClassLoader和AppClassLoader都繼承自URLClassLoader，它們都是Launcher 的內(nèi)部類，Launcher 是Java虛擬機(jī)的入口應(yīng)用，ExtClassLoader和AppClassLoader都是在Launcher中進(jìn)行初始化的。
2.2 普通的類、AppClassLoader與ExtClassLoader之間的關(guān)系關(guān)系： - 加載普通的類（這里指得是我們所編寫的代碼類，下文demo中的Test類）加載器是AppClassLoader，AppClassLoader的父加載器為ExtClassLoader
- 而ExtClassLoader的父加載器是Bottstrap ClassLoader
還有2個(gè)結(jié)論： - 每個(gè)類都有類加載器
- 每個(gè)類加載器都有父加載器
我們準(zhǔn)備一個(gè)簡單的demo 自建的一個(gè)Test.java文件。 public class Test{}復(fù)制代碼
public class Main { public static void main(String[] args) {ClassLoader cl = Test.class.getClassLoader();System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());}}復(fù)制代碼
這樣就可以獲取到Test.class文件的類加載器，然后打印出來。結(jié)果是： sun.misc.Launcher$AppClassLoader@75b83e92復(fù)制代碼
也就是說明Test.class文件是由AppClassLoader加載的。 那AppClassLoader是誰加載的呢？ 其實(shí)AppClassLoader也有一個(gè)父加載器，我們可以通過以下代碼獲取 public class Test { public static void main(String[] args) { ClassLoader loader = Test.class.getClassLoader(); while (loader != null) { System.out.println(loader); loader = loader.getParent(); } }}復(fù)制代碼
上述代碼結(jié)果如下： sun.misc.Launcher$AppClassLoader@7565783bsun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b586d23復(fù)制代碼
- 加載Test的類加載器是AppClassLoader，AppClassLoader的父加載器為ExtClassLoader
- 而ExtClassLoader的父加載器是Bottstrap ClassLoader
至于為何沒有打印出ExtClassLoader的父加載器Bootstrap ClassLoader，這是因?yàn)锽ootstrap ClassLoader是由C++編寫的，并不是一個(gè)Java類，因此我們無法在Java代碼中獲取它的引用。
2.3 java.lang.ClassLoader類常見的方法上一節(jié)我們看到了ClassLoader的getParent方法，getParent獲取到的其實(shí)就是其父加載器。這一節(jié)將通過源碼，來介紹ClassLoader中的一些重要方法。 getParent()ClassLoader類---------public final ClassLoader getParent() { if (parent == null) return null; SecurityManager sm = System.getSecurityManager(); if (sm != null) { checkClassLoaderPermission(parent, Reflection.getCallerClass()); } return parent;}復(fù)制代碼
我們可以看到，其返回值有兩種可能，為空或者是parent變量。 從源碼中還可以發(fā)現(xiàn)其是一個(gè)final修飾的方法，我們知道被final修飾的說明這個(gè)方法提供的功能已經(jīng)滿足當(dāng)前要求，是不可以重寫的， 所以其各個(gè)子類所調(diào)用的getParent()方法最終都會由ClassLoader來處理。
parent變量又是什么呢？我們在查看源碼時(shí)可以發(fā)現(xiàn)parent的賦值是在構(gòu)造方法中。 ClassLoader類---------private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) { this.parent = parent; ... //省略了無關(guān)代碼}復(fù)制代碼
而此構(gòu)造方法又是私有的，不能被外部調(diào)用，所以其調(diào)用者還是在內(nèi)部。于是接著查找到了另外兩個(gè)構(gòu)造方法。 ClassLoader類---------protected ClassLoader() { this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());} protected ClassLoader(ClassLoader parent) { this(checkCreateClassLoader(), parent);}復(fù)制代碼
所以： - 可以在調(diào)用ClassLoder的構(gòu)造方法時(shí)，指定一個(gè)parent。
- 若沒有指定的話，會使用getSystemClassLoader()方法的返回值。
接著看上面代碼中的getSystemClassLoader的源碼： ClassLoader類---------public static ClassLoader getSystemClassLoader() { initSystemClassLoader(); if (scl == null) { return null; } SecurityManager sm = System.getSecurityManager(); if (sm != null) { checkClassLoaderPermission(scl, Reflection.getCallerClass()); } return scl;}復(fù)制代碼
其返回的是一個(gè)scl。在initSystemClassLoader()方法中發(fā)現(xiàn)了對scl變量的賦值。 ClassLoader類---------private static synchronized void initSystemClassLoader() { if (!sclSet) { if (scl != null) throw new IllegalStateException("recursive invocation"); sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher(); //1 if (l != null) { Throwable oops = null; scl = l.getClassLoader(); ...//省略代碼 } sclSet = true; }}復(fù)制代碼
重點(diǎn)來了，注釋1處其獲取到的是Launcher類的對象，然后調(diào)用了Launcher類的getClassLoader()方法。 Launcher類---------public ClassLoader getClassLoader() { return this.loader;}復(fù)制代碼
那這個(gè)this.loader是什么呢？在Launcher類中發(fā)現(xiàn)，其賦值操作在Launcher的構(gòu)造方法中，其值正是Launcher類中的AppClassLoader： Launcher類---------public Launcher() { Launcher.ExtClassLoader var1; try { var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader(); } catch (IOException var10) { throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10); } try { this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1); } catch (IOException var9) { throw new InternalError("Could not create application class loader", var9); } ...}復(fù)制代碼
到這里謎團(tuán)全部解開了： 在創(chuàng)建ClassLoder時(shí)， - 可以指定一個(gè)ClassLoder作為其parent，也就是其父加載器。
- 若沒有指定的話，會使用getSystemClassLoader()方法的返回值（也就是Launcher類中的AppClassLoader）作為其parent。
- 通過getParent()方法可以獲取到這個(gè)父加載器。
defineClass()能將class二進(jìn)制內(nèi)容轉(zhuǎn)換成Class對象，如果不符合要求的會拋出異常，例如ClassFormatError、NoClassDefFoundError。 在自定義ClassLoader時(shí)，我們通常會先將特定的文件讀取成byte[]對象，再使用此方法，將其轉(zhuǎn)為class對象。 ClassLoader類---------/*** String name：表示預(yù)期的二進(jìn)制文件名稱，不知道的話，可以填null。* byte[] b：此class文件的二進(jìn)制數(shù)據(jù)* int off：class二進(jìn)制數(shù)據(jù)開始的位置* int len：class二進(jìn)制數(shù)據(jù)的總長度*/protected final Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) throws ClassFormatError{ return defineClass(name, b, off, len, null);}protected final Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len, ProtectionDomain protectionDomain) throws ClassFormatError{ protectionDomain = preDefineClass(name, protectionDomain); String source = defineClassSourceLocation(protectionDomain); Class c = defineClass1(name, b, off, len, protectionDomain, source); postDefineClass(c, protectionDomain); return c;}復(fù)制代碼
findClass()findClass()方法一般被loadClass()方法調(diào)用去加載指定名稱類。 ClassLoader類---------/*** String name：class文件的名稱*/protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException { throw new ClassNotFoundException(name);} 復(fù)制代碼
通過源碼看到ClassLoader類中并沒有具體的邏輯，而是等待著其子類去實(shí)現(xiàn)，通過上面的分析我們知道兩個(gè)系統(tǒng)類加載器ExtClassLoader和AppClassLoader都繼承自URLClassLoader，那就來看一下URLClassLoader中的具體代碼。 URLClassLoader類---------protected Class findClass(final String name) throws ClassNotFoundException{ final Class result; try { result = AccessController.doPrivileged( new PrivilegedExceptionAction>() { public Class run() throws ClassNotFoundException { String path = name.replace('.', '/').concat(".class"); Resource res = ucp.getResource(path, false); if (res != null) { try { return defineClass(name, res); } catch (IOException e) { throw new ClassNotFoundException(name, e); } ... return result;}private Class defineClass(String name, Resource res) throws IOException { ... URL url = res.getCodeSourceURL(); ... java.nio.ByteBuffer bb = res.getByteBuffer(); if (bb != null) { ... return defineClass(name, bb, cs); } else { byte[] b = res.getBytes(); ... return defineClass(name, b, 0, b.length, cs); }}復(fù)制代碼
可以看到其對傳入的name進(jìn)行處理后，就調(diào)用了defineClass(name, res)；在這個(gè)方法里主要是通過res資源和url，加載出相應(yīng)格式的文件，最終還是通過ClassLoader的defineClass方法加載出具體的類。 loadClass()上節(jié)說到findClass()一般是在loadClass()中調(diào)用，那loadClass()是什么呢？ 其實(shí)loadClass()就是雙親委托機(jī)制的具體實(shí)現(xiàn)，所以在我們先介紹下雙親委托機(jī)制后，再來分析loadClass()。 3 雙親委托機(jī)制介紹3.1 圖解雙親委托機(jī)制先簡單介紹下雙親委托機(jī)制： 類加載器查找Class（也就是在loadClass時(shí)）所采用的是雙親委托模式，所謂雙親委托模式就是 - 首先判斷該Class是否已經(jīng)加載
- 如果沒有則不是自身去查找而是委托給父加載器進(jìn)行查找，這樣依次的進(jìn)行遞歸，直到委托到最頂層的Bootstrap ClassLoader
- 如果Bootstrap ClassLoader找到了該Class，就會直接返回
- 如果沒找到，則繼續(xù)依次向下查找，如果還沒找到則最后會交由自身去查找
（圖片來自http://liuwangshu.cn/application/classloader/1-java-classloader-.html）
- 其中紅色的箭頭代表向上委托的方向，如果當(dāng)前的類加載器沒有從緩存中找到這個(gè)class對象，就會請求父加載器進(jìn)行操作。直到Bootstrap ClassLoader。
- 而黑色的箭頭代表的是查找方向，若Bootstrap ClassLoader可以從%JAVA_HOME%/jre/lib目錄或者-Xbootclasspath指定目錄查找到，就直接返回該對象，否則就讓ExtClassLoader去查找。
- ExtClassLoader就會從JAVA_HOME/jre/lib/ext或者-Djava.ext.dir指定位置中查找，找不到時(shí)就交給AppClassLoader，AppClassLoader就從當(dāng)前工程的bin目錄下查找
- 若還是找不到的話，就由我們自定義的CustomClassLoader查找，具體查找的結(jié)果，就要看我們怎么實(shí)現(xiàn)自定義ClassLoader的findClass方法了。
3.2 源碼分析雙親委托機(jī)制接下來我們看看雙親委托機(jī)制在源碼中是如何體現(xiàn)的。 先看loadClass的源碼： ClassLoader類---------protected Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{ synchronized (getClassLoadingLock(name)) { //首先，根據(jù)name檢查類是否已經(jīng)加載，若已加載，會直接返回 Class c = findLoadedClass(name); if (c == null) { long t0 = System.nanoTime(); try { if (parent != null) { //若當(dāng)前類加載器有父加載器，則調(diào)用其父加載器的loadClass() c = parent.loadClass(name, false); } else { //若當(dāng)前類加載器的parent為空，則調(diào)用findBootstrapClassOrNull() c = findBootstrapClassOrNull(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { } if (c == null) { // 1.如果到這里c依然為空的話，表示一直到最頂層的父加載器也沒有找到已加載的c，那就會調(diào)用findClass進(jìn)行查找 // 2.在findClass的過程中，如果指定目錄下沒有，就會拋出異常ClassNotFoundException // 3.拋出異常后，此層調(diào)用結(jié)束，接著其子加載器繼續(xù)進(jìn)行findClass操作 long t1 = System.nanoTime(); c = findClass(name); sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0); sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1); sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment(); } } if (resolve) { resolveClass(c); } return c; }}復(fù)制代碼
findBootstrapClassOrNull()方法：可以看到其對name進(jìn)行校驗(yàn)后，最終調(diào)用了一個(gè)native方法findBootstrapClass()。在findBootstrapClass()方法中最終會用Bootstrap Classloader來查找類。 ClassLoader類---------private Class findBootstrapClassOrNull(String name){ if (!checkName(name)) return null; return findBootstrapClass(name);} private native Class findBootstrapClass(String name);復(fù)制代碼
4 常見的問題4.1 為什么使用雙親委托機(jī)制？- 避免重復(fù)加載，如果已經(jīng)加載過一次Class，就不需要再次加載，而是先從緩存中直接讀取。
- 安全方面的考慮，如果不使用雙親委托模式，就可以自定義一個(gè)String類來替代系統(tǒng)的String類，這樣便會造成安全隱患，采用雙親委托模式會使得系統(tǒng)的String類在Java虛擬機(jī)啟動時(shí)就被加載，也就無法自定義String類來替代系統(tǒng)的String類。
4.2 由不同的類加載器加載的類會被JVM當(dāng)成同一個(gè)類嗎？不會。 在Java中，我們用包名+類名作為一個(gè)類的標(biāo)識。 但在JVM中，一個(gè)類用其包名+類名和一個(gè)ClassLoader的實(shí)例作為唯一標(biāo)識，不同類加載器加載的類將被置于不同的命名空間. 通過一個(gè)demo來看， - 用兩個(gè)自定義類加載器去加載一個(gè)自定義的類
- 然后獲取到的Class進(jìn)行java.lang.Object.equals（…）判斷。
public class Main { public static void main(String[] args) { ClassLoaderTest myClassLoader = new ClassLoaderTest("F:\\"); ClassLoaderTest myClassLoader2 = new ClassLoaderTest("F:\\"); try { Class c = myClassLoader.loadClass("com.example.Hello"); Class c2 = myClassLoader.loadClass("com.example.Hello"); Class c3 = myClassLoader2.loadClass("com.example.Hello"); System.out.println(c.equals(c2)); //true System.out.println(c.equals(c3)); //flase }}復(fù)制代碼
輸出結(jié)果： truefalse復(fù)制代碼
只有兩個(gè)類名一致并且被同一個(gè)類加載器加載的類，Java虛擬機(jī)才會認(rèn)為它們是同一個(gè)類。 上面demo中用到的自定義ClassLoader： 自定義的類加載器注意點(diǎn)：1.覆寫findClass方法2.讓其可以根據(jù)name從我們指定的path中加載文件，也就是將文件正確轉(zhuǎn)為byte[]格式3.使用defineClass方法將byte[]數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為Class對象-------------public class ClassLoaderTest extends ClassLoader{ private String path; public ClassLoaderTest(String path) { this.path = path; } @Override protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException { Class clazz = null; byte[] classData = classToBytes(name); if (classData == null) { throw new ClassNotFoundException(); } else { clazz= defineClass(name, classData, 0, classData.length); } return clazz; } private byte[] classToBytes(String name) { String fileName = getFileName(name); File file = new File(path,fileName); InputStream in=null; ByteArrayOutputStream out=null; try { in = new FileInputStream(file); out = new ByteArrayOutputStream(); byte[] buffer = new byte[1024]; int length=0; while ((length = in.read(buffer)) != -1) { out.write(buffer, 0, length); } return out.toByteArray(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }finally { try { if(in!=null) { in.close(); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } try{ if(out!=null) { out.close(); } }catch (IOException e){ e.printStackTrace(); } } return null; } private String getFileName(String name) { int index = name.lastIndexOf('.'); if(index == -1){ return name+".class"; }else{ return name.substring(index+1)+".class"; } }}復(fù)制代碼
結(jié)語到此Java的類加載器以及雙親委托機(jī)制都講了個(gè)大概，如果文中有錯(cuò)誤的地方、或者有其他關(guān)于類加載器比較重要的內(nèi)容又沒有介紹到的，歡迎在評論區(qū)里留言，一起交流學(xué)習(xí)。
作者：某人Valar
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