Java classloader详解-阿里云开发者社区

Java程序并不是一个可执行文件，而是由很多的Java类组成，其运行是由JVM来控制的。而JVM从内存中查找到类，而真正将类加载进内存的就是ClassLoader,可以说我们每天都在接触ClassLoader，但是很多时候我们没有明白其执行的流程和原理。

为什么需要ClassLoader？

ClassLoader的有以下的作用:

从本地系统加载类文件，甚至是从网络上加载Java类文件，例如Applet，加载Class是程序执行的前提。
进行应用的隔离，不同的应用使用ClassLoader加载的类实现相互隔离不可见，典型的例子如tomcat,启动的时候会启动一个JVM，Tomcat下面会部署多个应用，但是多个应用之间的类是相互不可见的，也不能相互调用，这就是依靠自定义的ClassLoader WebappX进行隔离的。
自定义ClassLoader在执行非信任代码前验证数字签名。
自定义ClassLoader根据用户提供的密码解密代码，从而可以对.class文件加密，避免被反编译。
根据用户的需要动态的创建类，增强代码能力。

Java ClassLoader运行机制

Java提供了三个ClassLoader，分别是BootStrapClassLoader、ExtClassLoader和AppClassLoader。

1、BootStrapClassLoader

启动类装载器，主要加载jre的lib目录下的Java类，使用C++编写，是JVM自带的类加载器，用来装载核心类库。Java程序可以通过以下代码查看这个类加载器加载了哪些jar包：

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

执行结果如下：

file:/C:/Program%20Files%20(x86)/Java/jre7/lib/resources.jar
  file:/C:/Program%20Files%20(x86)/Java/jre7/lib/rt.jar
  file:/C:/Program%20Files%20(x86)/Java/jre7/lib/sunrsasign.jar
  file:/C:/Program%20Files%20(x86)/Java/jre7/lib/jsse.jar
  file:/C:/Program%20Files%20(x86)/Java/jre7/lib/jce.jar
  file:/C:/Program%20Files%20(x86)/Java/jre7/lib/charsets.jar
  file:/C:/Program%20Files%20(x86)/Java/jre7/lib/jfr.jar
  file:/C:/Program%20Files%20(x86)/Java/jre7/classes

可以明显看出BootStrapClassLoader在jre目录下加载了lib目录的特定jar和classes目录下的所有的类，这其实是在JVM中定义的，加载类的路径源代码定义如下：

static const char classpathFormat[] =
  "%/lib/rt.jar:"
  "%/lib/i18n.jar:"
  "%/lib/sunrsasign.jar:"
  "%/lib/jsse.jar:"
  "%/lib/jce.jar:"
  "%/lib/charsets.jar:"
  "%/classes";

有时候我们希望使用BootStrapClassLoader加载额外的一些指定类或者jar包，此时可以在执行java启动命令的时候指定-Xbootclasspath参数。

-Xbootclasspath参数有三种使用方式：

直接使用-Xbootclasspath参数。完全取代基本核心的Java class 搜索路径，如果使用这种方式，需要自己全新编写核心类或者重新制定核心类jar包路径，基本不使用。
使用-Xbootclasspath/a。以冒号作为path分隔符，指定包含类的目录路径，jar或者zip的路径，此参数表示将这些额外的类附加到默认的类路径中，先Load默认的jar文件，然后再Load -Xbootclasspath/a:path指定的jar文件，这种方式不会导致覆盖系统提供的默认类。可以编写执行类A，由类A引用类B，将B类打成jar包B.jar，执行以下命令，如果能够正常查找到类B，证明加载成功。

java -verbose:class -Xbootclasspath/a:B.jar com.fantuantech.A

使用-Xbootclasspath/p。以冒号作为path分隔符，指定包含类的目录路径，jar或者zip的路径,此参数表示先加载参数指定的jar文件，然后再去加载系统默认的jar和类文件，一旦系统在参数指定的路径中load了全权限定名与JRE提供的默认的类文件相同的文件的时候，将不会去load JRE提供的相同文件，所以这个参数会造成覆盖JRE提供的默认文件的情况，官方是不建议这么做的。

2、ExtClassLoader

加载$JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下的类或者是其他任何通过java.ext.dirs系统属性指定的目录下的Java类。这是通过实现了sun.misc.Launcher$ExtClassLoader接口实现的。如果有自定义的公共类希望通过ExtClassLoader自动加载的话，可以采用以下两种方式:

java -Djava.ext.dirs=/home/externalDir，在程序启动的时候通过参数指定扩展类加载器额外加载的类路径
将额外的jar包放在jre/lib/ext目录下，当AppClassLoader加载这些类加载不到时会委托ExtClassLoader加载，ExtClassLoader就会去这个目录下查找对应的类并加载。

ExtClassLoader的parent是BootStrapClassLoader,但是由于BootStrapClassLoader是由c++编写的，通过native方式加载的。而并不是由java编写的，所以当调用classLoader的getParent()方法时，获取到的是null。

3、AppClassLoader

加载java.class.path(一般映射到系统classPath)指定的目录下的所有Java类，实现sun.misc.Launcher$AppClassLoader接口。在程序执行时通过-classpath或者-cp或者-Djava.class.path可以指定系统类路径。

Java ClassLoader双亲委派机制

既然Java同时存在多种ClassLoader，那么这些ClassLoader什么关系，Class类的加载顺序是怎么样的，会不会存在冲突呢？为了解决这些问题，Java ClassLoader采用了双亲委派机制，如下图所示：

双亲委派机制是指某个特定的类加载器在接到加载类的请求时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。

每个ClassLoader都维护了一份自己的名称空间，同一个名称空间里不能出现两个同名的类，否则就会出现冲突。

ClassLoader有一些重要的方法，主要是以下几个：

loadCass
loadClass(String name ,boolean resolve)其中name参数指定了JVM需要的类的名称,该名称以包表示法表示,如Java.lang.Object；resolve参数告诉方法是否需要解析类，在初始化类之前,应考虑类解析，并不是所有的类都需要解析，如果JVM只需要知道该类是否存在或找出该类的超类,那么就不需要解析。这个方法是ClassLoader 的入口点
defineClass
这个方法接受类文件的字节数组并把它转换成Class对象。字节数组可以是从本地文件系统或网络装入的数据。它把字节码分析成运行时数据结构、校验有效性等等。
findSystemClass
findSystemClass方法从本地文件系统装入文件。它在本地文件系统中寻找类文件,如果存在,就使用defineClass将字节数组转换成Class对象,以将该文件转换成类。当运行Java应用程序时,这是JVM 正常装入类的缺省机制。
resolveClass
resolveClass(Class c)方法解析装入的类,如果该类已经被解析过那么将不做处理。当调用loadClass方法时,通过它的resolve 参数决定是否要进行解析。
findLoadedClass
当调用loadClass方法装入类时,调用findLoadedClass 方法来查看ClassLoader是否已装入这个类,如果已装入,那么返回Class对象,否则返回NULL。如果强行装载已存在的类,将会抛出链接错误。

其中类加载主要是loadClass方法，以下是方法的定义，可以看到查找类主要分为4个步骤：

findLoadedClass判断类是否已经被加载。
如果类未被加载则通过parent.loadClass加载类。
如果父ClassLoader为空，则调用findBootstrapClass0从BootstrapClassLoader去加载。
如果还是找不到，则调用findClass由当前加载器去加载相应的类。

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException {
// First, check if the class has already been loaded
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
try {
if (parent != null) {
   c = parent.loadClass(name, false);
} else {
c = findBootstrapClass0(name);
   }
} catch (ClassNotFoundException e) {
   // If still not found, then invoke findClass in order    to find the class.
   c = findClass(name);
   }
}
if (resolve) {
   resolveClass(c);
   }
return c;
}

采用双亲委派机制有以下的好处：

安全
不允许任意的创建类替换Java的基础类，例如创建一个java.lang.Integer，新建的整个Integer是不会被加载的，因为根据双亲委派原则，会委托给BootStrapClassLoader去加载这个类，而BootstrapClassLoader是JVM实现的，无法更改，它默认去加载jre/lib目录下的类，包括了java.lang.Integer。
隔离
每个类在JVM中的唯一表示与类的权限定名以及类加载器有关，可以说一个类加载器加上一个类的全限定名唯一确定了一个类，通过自定义不同的ClassLoader，即使加载了相同限定名的类也不会造成冲突。比如tomcat的StandardClassLoader就是使用ClassLoader来为每一个应用做隔离。

自定义ClassLoader

这里我们编写一个简单的案例用来说明如何自定义ClassLoader，代码仅供演示,先创建一个目录，所有演示代码都在同个目录下：

1、创建test目录

mkdir /Users/lucas-os/workspace/test

2、自定义类MyClassLoader，继承ClassLoader

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    private String path;
    public MyClassLoader (String path) {
        this.path = path;
    }
      @Override
    protected Class findClass (String name) throws ClassNotFoundException {
        System.out.println(getSystemClassLoader().getName()+","+getSystemClassLoader().getParent().getName());
        String classPath = path+name+".class";
        InputStream inputStream = null;
        ByteArrayOutputStream outputStream = null;
        try {
            inputStream = new FileInputStream(classPath);
            outputStream = new ByteArrayOutputStream();
            int temp = 0;
            while((temp = inputStream.read()) != -1){
                outputStream.write(temp);
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            try {
                outputStream.close();
                inputStream.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        byte[] bytes = outputStream.toByteArray();
        Class clazz =  defineClass(name,bytes,0,bytes.length);
        resolveClass(clazz);
        return clazz;
    }
}

3、自定义HelloWorld类，用于被ClassLoader加载

public class HelloWorld {
    public HelloWorld(){
        System.out.println("Hello ClassLoader!");
    }
}

4、自定义Test类，作为程序入口

源代码如下：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader("/Users/lucas-os/workspace/test/");
        try {
            Class clazz = myClassLoader.findClass("HelloWorld");
            clazz.getConstructor().newInstance();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

依次使用以下命令编译和执行代码：

javac HelloWorld.java
javac Test.java
java -classpath /Users/lucas-os/workspace/test/ Test

执行结果如下所示，可以看到当前SystemClassLoader是app，其父ClassLoader是platform，程序正常打印出了"class HelloWorld"证明类被正常加载。

app,platform
/Users/lucas-os/workspace/test/HelloWorld.class
Hello ClassLoader!

Java classloader详解

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