一文读懂类加载机制--ClassLoader

一、什么是ClassLoader?

大家都知道，当我们写好一个Java程序之后，不是管是CS还是BS应用，都是由若干个.class文件组织而成的一个完整的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。所以ClassLoader就是用来动态加载class文件到内存当中用的。

二、Java默认提供的三个ClassLoader

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。

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。

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，是一个包含的关系），虚拟机内置的类加载器（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。

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

[java] view plain copy

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）

[java] view plain copy

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。

4、ClassLoader的体系架构：

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：

[java] view plain copy

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。

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：

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：

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。

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。

定义自已的类加载器分为两步：

1、继承java.lang.ClassLoader

2、重写父类的findClass方法

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：

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

[java] view plain copy

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：

[java] view plain copy

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

[java] view plain copy

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()+"<br/>");

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

[html] view plain copy

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<web-app version="2.4"

xmlns="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee"

xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"

xsi:schemaLocation="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee

http://java.sun.com/xml/ns/j2ee/web-app_2_4.xsd">

<servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>

<servlet-class>ClassLoaderServletTest</servlet-class>

</servlet>

<servlet-mapping>

<servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>

<url-pattern>/servlet/ClassLoaderServletTest</url-pattern>

</servlet-mapping>

<welcome-file-list>

<welcome-file>index.jsp</welcome-file>

</welcome-file-list>

</web-app>

4、访问Servlet，获得显示结果

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