JAVA提高七：类加载器

今天我们学习类加载器，关于类加载器其实和JVM有很大关系，在这里这篇文章只是简单的介绍下类加载器，后面学习到JVM的时候还会详细讲到类加载器，本文分为下面几个小节讲解：

一、认识类加载器

1.什么是类加载器？

所谓的类加载器可以从其作用来理解，其功能就是将classpath目录下.class文件,加载到内存中来进行一些处理,处理完的结果就是一些字节码.那是谁把这些class类加载到内存中来的呢?就是类加载器。

2.JVM中默认的类加载器有哪些？

java虚拟机中可以安装多个类加载器,系统默认三个主要的类加载器,每个类加载器负责加载不同位置的类:BootStrap,ExtClassLoader,AppClassLoader

注意的是：

1.类加载器本身也是一个java类,因为类加载器本身也是一个java类,那么这个特殊的java类【类加载器】是有谁加载进来的呢?这显然要有第一个类加载器，这第一个类加载器不是一个java类，它是BootStrap。

2.BootStrap不是一个java类，不需要类加载器java加载，他是嵌套在java虚拟机内核里面的。java 虚拟机内核已启动的时候，他就已经在那里面了，他是用c++语言写的一段二进制代码。他可以去加载别的类，其中别的类就包含了类加载器【如上面提到的Ext  和 app】。

案例：

下面我们写个例子来获取ClassLoaderTest这个类的类加载器的名字，代码如下：

package study.javaenhance;

import java.util.ArrayList;

public class ClassLoaderTest
{
    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        //获取类加载器,那么这个获取的是一个实例对象,我们知道类加载器也有很多种,那么因此也有其对应的类存在,因此可以获取到对应的字节码
        System.out.println(ClassLoaderTest.class.getClassLoader());
        //获取类加载的字节码,然后获取到类加载字节码的名字
        System.out.println(ClassLoaderTest.class.getClassLoader().getClass().getName());
        //下面我们看下获取非我们定义的类,比如System  ArrayList 等常用类
        System.out.println(System.class.getClassLoader());
        System.out.println(ArrayList.class.getClassLoader()); 

    }

}

结果如下：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@1c78e57
sun.misc.Launcher$AppClassLoader
null
null

结果分析：

ClassLoaderTest的类加载器的名称是AppClassLoader。也就是这个类是由AppClassLoader这个类加载器加载的。

System/ArrayList的类加载器是null。这说明这个类加载器是由BootStrap加载的。因为我们上面说了BootStrap不是java类，不需要类加载器加载。所以他的类加载器是null。

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我们说了java给我们提供了三种类加载器：BootStrap，ExtClassLoader，AppClassLoader。这三种类加载器是有父子关系组成了一个树形结构。BootStrap是根节点，BootStrap下面挂着ExtClassLoader，ExtClassLoader下面挂着AppClassLoader.

代码演示如下：

package study.javaenhance;

import java.util.ArrayList;

public class ClassLoaderTest
{
    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        //获取类加载器,那么这个获取的是一个实例对象,我们知道类加载器也有很多种,那么因此也有其对应的类存在,因此可以获取到对应的字节码
        System.out.println(ClassLoaderTest.class.getClassLoader());
        //获取类加载的字节码,然后获取到类加载字节码的名字
        System.out.println(ClassLoaderTest.class.getClassLoader().getClass().getName());
        //下面我们看下获取非我们定义的类,比如System  ArrayList 等常用类
        System.out.println(System.class.getClassLoader());
        System.out.println(ArrayList.class.getClassLoader()); 

        //演示java 提供的类加载器关系
        ClassLoader classloader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        while(classloader != null)
        {
            System.out.print(classloader.getClass().getName()+"-->");
            classloader = classloader.getParent();
        }
        System.out.println(classloader); 

    }

}

输出结果为：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader-->sun.misc.Launcher$ExtClassLoader-->null

通过这段程序可以看出来，ClassLoaderTest由AppClassLoader加载，AppClassLoader的父类节点是ExtClassLoader，ExtClassLoader的父节点是BootStrap。

每一个类加载器都有自己的管辖范围。 BootStrap根节点，只负责加载rt.jar里的类，刚刚那个System就是属于rt.jar包里面的，ExtClassLoader负责加载JRE/lib/ext/*.jar这个目录文件夹下的文件。而AppClassLoader负责加载ClassPath目录下的所有jar文件及目录。

最后一级是我们自定义的加载器，他们的父类都是AppClassLoader。

二、类加载器的双亲委派机制

除了系统自带了类加载器，我们还可以自定义类加载器。然后把自己的类加载器挂在树上。作为某个类加载器的孩子。所有自定义类加载器都要继承ClassLoader。实现里面的一个方法ClassLoader（）如下：

通过上面的知识，我们知道java提供了三个类加载器，而且我们也可以自定义类加载器，并且通过上面的类加载图也看到了之前的关系，那么对于一个类的.class 到底是谁去加载呢？

当Java虚拟机要加载第一个类的时候，到底派出哪个类加载器去加载呢？

(1). 首先当前线程的类加载器去加载线程中的第一个类(当前线程的类加载器：Thread类中有一个get/setContextClassLoader(ClassLoader cl);方法，可以获取/指定本线程中的类加载器)

(2). 如果类A中引用了类B,Java虚拟机将使用加载类A的类加载器来加载类B

(3). 还可以直接调用ClassLoader.loadClass(String className)方法来指定某个类加载器去加载某个类

每个类加载器加载类时，又先委托给其上级类加载器当所有祖宗类加载器没有加载到类，回到发起者类加载器，还加载不了，则会抛出ClassNotFoundException,不是再去找发起者类加载器的儿子，因为没有getChild()方法。例如：如上图所示： MyClassLoader->AppClassLoader->Ext->ClassLoader->BootStrap.自定定义的MyClassLoader1首先会先委托给AppClassLoader,AppClassLoader会委托给ExtClassLoader,ExtClassLoader会委托给BootStrap，这时候BootStrap就去加载，如果加载成功，就结束了。如果加载失败，就交给ExtClassLoader去加载，如果ExtClassLoader加载成功了，就结束了，如果加载失败就交给AppClassLoader加载，如果加载成功，就结束了，如果加载失败，就交给自定义的MyClassLoader1类加载器加载，如果加载失败，就报ClassNotFoundException异常，结束。

这样的好处在哪里呢？可以集中管理，不会出现多份字节码重复的现象。有两个类要再在System，如果让底层的类加载器加载，可能会出现两份字节码。而都让爷爷加载，爷爷加载到已有，当再有请求过来的时候，爷爷说：哎，我加载过啊，直接把那份拿出来给你用啊。就不会出现多份字节码重复的现象。

现在有一道面试题：能不能自己写一套java.lang.System.？

分析：你写了也白写，因为类加载器加载，直接到爷爷那里去找，找成功了，分本就不回来理你的那个。
答案：通常不可以，因为委托机制委托给爷爷，爷爷在rt.jar包加载到这个类以后就不会加载你自己写了那个System类了。但是，我也有办法加载，我写一个自己的类加载器，不让他用委托机制，不委托给上级了，就可以了.

因为System类，List，Map等这样的系统提供jar类都在rt.jar中，所以由BootStrap类加载器加载，因为BootStrap是祖先类，不是Java编写的，所以打印出class为null

对于ClassLoaderTest类的加载过程，打印结果也是很清楚的。

三、自定义类加载器

下面来看一下怎么定义我们自己的一个类加载器MyClassLoader：

自定义的类加载器必须继承抽象类ClassLoader然后重写findClass方法，其实他内部还有一个loadClass方法和defineClass方法，这两个方法的作用是：

loadClass方法的源代码：

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
       return loadClass(name, false);
   }  

再来看一下loadClass(name,false)方法的源代码：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException{
         //加上锁，同步处理，因为可能是多线程在加载类
         synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
             //检查，是否该类已经加载过了，如果加载过了，就不加载了
             Class c = findLoadedClass(name);
             if (c == null) {
                 long t0 = System.nanoTime();
                 try {
                     //如果自定义的类加载器的parent不为null,就调用parent的loadClass进行加载类
                     if (parent != null) {
                         c = parent.loadClass(name, false);
                     } else {
                         //如果自定义的类加载器的parent为null，就调用findBootstrapClass方法查找类，就是Bootstrap类加载器
                         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();
                     //如果parent加载类失败，就调用自己的findClass方法进行类加载
                     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;
         }
     }  

在loadClass代码中也可以看到类加载机制的原理，这里还有这个方法findBootstrapClassOrNull,看一下源代码：

private Class findBootstrapClassOrNull(String name)
   {
       if (!checkName(name)) return null;  

       return findBootstrapClass(name);
   }  

就是检查一下name是否是否正确，然后调用findBootstrapClass方法，但是findBootstrapClass方法是个native本地方法，看不到源代码了，但是可以猜测是用Bootstrap类加载器进行加载类的，这个方法我们也不能重写，因为如果重写了这个方法的话，就会破坏这种委托机制，我们还要自己写一个委托机制。
defineClass这个方法很简单就是将class文件的字节数组编程一个class对象，这个方法肯定不能重写，内部实现是在C/C++代码中实现的
findClass这个方法就是根据name来查找到class文件，在loadClass方法中用到，所以我们只能重写这个方法了，只要在这个方法中找到class文件，再将它用defineClass方法返回一个Class对象即可。
这三个方法的执行流程是：每个类加载器：loadClass->findClass->defineClass

前期的知识了解后现在就来实现了

首先来看一下需要加载的一个类:ClassLoaderAttachment.java:

package study.javaenhance;

public class ClassLoaderAttachment {
    @Override
    public String toString() {
        return "Hello ClassLoader!";

    }

}

这个类中输出一段话即可：编译成ClassLoaderAttachment.class

再来看一下自定义的MyClassLoader.java：

package study.javaenhance;

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;

public class MyClassLoader extends ClassLoader
{
    //需要加载类.class文件的目录
    private String classDir;  

    //无参的构造方法，用于class.newInstance()构造对象使用
    public MyClassLoader(){
    }  

    public MyClassLoader(String classDir){
        this.classDir = classDir;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        System.out.println(name);
        String classPathFile = classDir + "\\" + name.substring(name.lastIndexOf(".")+1) + ".class";
        System.out.println(classPathFile);
        try
        {
            System.out.println("my");
             //将class文件进行解密
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPathFile);
            ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
            encodeAndDecode(fis,bos);
            byte[] classByte = bos.toByteArray();
            //将字节流变成一个class
            return defineClass(classByte,0,classByte.length);
        } catch (Exception e)
        {
            e.printStackTrace();
        }

        return super.findClass(name);
    }  

     //测试，先将ClassLoaderAttachment.class文件加密写到工程的class_temp目录下
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        //配置运行参数  

        String srcPath = args[0];//ClassLoaderAttachment.class原路径
        String desPath = args[1];//ClassLoaderAttachment.class输出的路径
        String desFileName = srcPath.substring(srcPath.lastIndexOf("\\")+1);
        String desPathFile = desPath + "/" + desFileName;
        FileInputStream fis = new FileInputStream(srcPath);
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(desPathFile);
        //将class进行加密
        encodeAndDecode(fis,fos);
        fis.close();
        fos.close();
    } 

     /**
     * 加密和解密算法
     * @param is
     * @param os
     * @throws Exception
     */
    private static void encodeAndDecode(InputStream is,OutputStream os) throws Exception{
        int bytes = -1;
        while((bytes = is.read())!= -1){
            bytes = bytes ^ 0xff;//和0xff进行异或处理
            os.write(bytes);
        }
    }
}

这个类中定义了一个加密和解密的算法，很简单的，就是将字节和oxff异或一下即可，而且这个算法是加密和解密的都可以用！
当然我们还要先做一个操作就是，将ClassLoaderAttachment.class加密后的文件存起来，也就是在main方法中执行的，这里我是在项目中新建一个

同时采用的是参数的形式来进行赋值的，所以在运行的MyClassLoader的时候要进行输入参数的配置：右击MyClassLoader->run as -> run configurations

第一个参数是ClassLoaderAttachment.class文件的源路径，第二个参数是加密后存放的目录，运行MyClassLoader之后，刷新class_temp文件夹，出现了ClassLoaderAttachment.class，这个是加密后的class文件。

下面来看一下测试类：

package study.javaenhance;

import java.util.ArrayList;

public class ClassLoaderTest
{
    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        //获取类加载器,那么这个获取的是一个实例对象,我们知道类加载器也有很多种,那么因此也有其对应的类存在,因此可以获取到对应的字节码
        System.out.println(ClassLoaderTest.class.getClassLoader());
        //获取类加载的字节码,然后获取到类加载字节码的名字
        System.out.println(ClassLoaderTest.class.getClassLoader().getClass().getName());
        //下面我们看下获取非我们定义的类,比如System  ArrayList 等常用类
        System.out.println(System.class.getClassLoader());
        System.out.println(ArrayList.class.getClassLoader()); 

        //演示java 提供的类加载器关系
        ClassLoader classloader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        while(classloader != null)
        {
            System.out.print(classloader.getClass().getName()+"-->");
            classloader = classloader.getParent();
        }
        System.out.println(classloader); 

        try {
            //Class classDate = new MyClassLoader("class_temp").loadClass("ClassLoaderAttachment");
            Class classDate = new MyClassLoader("class_temp").loadClass("study.javaenhance.ClassLoaderAttachment");
            Object object =  classDate.newInstance();
            //输出ClassLoaderAttachment类的加载器名称
            System.out.println("ClassLoader:"+object.getClass().getClassLoader().getClass().getName());
            System.out.println(object);
        } catch (Exception e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
    }

}

结果如下：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@6b97fd
sun.misc.Launcher$AppClassLoader
null
null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader-->sun.misc.Launcher$ExtClassLoader-->null
ClassLoader:sun.misc.Launcher$AppClassLoader
Hello ClassLoader!

这个时候我们会发现调用的APP 的类加载器然后输出了结果，这个是正常的，因为这个时候会采用双亲委派机制。

那么这个时候，我们将自己生成的ClassLoaderAttachemet class文件，覆盖掉编译的时候生成的class 文件看下结果如何，如果正常应该会报错，因为这个时候走双亲委派机制在对应的classpath 是可以找到这个class 文件，因此APP类加载器会处理，但是因为我们的class 是加密的因此会报错，运行结果如：

那么如何让其走到我们自定义的类加载器呢，只需要将编译时候生成的目录下的.class 文件删掉即可，那么这个是APP加载不到，则会去调用findclass ，然后就会走到我们定义的类加载器中，运行结果如下：

参考资料：

张孝祥老师java增强视频