类加载器 - ClassLoader详解

获得ClassLoader的途径

• 获得当前类的ClassLoader
  • clazz.getClassLoader()
• 获得当前线程上下文的ClassLoader
  • Thread.currentThread().getContextClassLoader();
• 获得系统的ClassLoader
  • ClassLoader.getSystemClassLoader()
• 获得调用者的ClassLoader
  • DriverManager.getCallerClassLoader

ClassLoader源码解析

概述

类加载器是用于加载类的对象，ClassLoader是一个抽象类。如果我们给定了一个类的二进制名称，类加载器应尝试去定位或生成构成定义类的数据。一种典型的策略是将给定的二进制名称转换为文件名，然后去文件系统中读取这个文件名所对应的class文件。

每个Class对象都会包含一个定义它的ClassLoader的一个引用。

数组类的Class对象，不是由类加载器去创建的，而是在Java运行期JVM根据需要自动创建的。对于数组类的类加载器来说，是通过Class.getClassLoader()返回的，与数组当中元素类型的类加载器是一样的；如果数组当中的元素类型是一个原生类型，数组类是没有类加载器的【代码一】。

应用实现了ClassLoader的子类是为了扩展JVM动态加载类的方式。

类加载器典型情况下时可以被安全管理器所使用去标识安全域问题。

ClassLoader类使用了委托模型来寻找类和资源，ClassLoader的每一个实例都会有一个与之关联的父ClassLoader，当ClassLoader被要求寻找一个类或者资源的时候，ClassLoader实例在自身尝试寻找类或者资源之前会委托它的父类加载器去完成。虚拟机内建的类加载器，称之为启动类加载器，是没有父加载器的，但是可以作为一个类加载器的父类加载器【双亲委托机制】。

支持并发类加载的类加载器叫做并行类加载器，要求在初始化期间通过**ClassLoader.registerAsParallelCapable **方法注册自身，ClassLoader类默认被注册为可以并行，但是如果它的子类也是并行加载的话需要单独去注册子类。

在委托模型不是严格的层次化的环境下，类加载器需要并行，否则类加载会导致死锁，因为加载器的锁在类加载过程中是一直被持有的。

通常情况下，Java虚拟机以平台相关的形式从本地的文件系统中加载类，比如在UNIX系统，虚拟机从CLASSPATH环境所定义的目录加载类。

然而，有些类并不是来自于文件；它们是从其它来源得到的，比如网络，或者是由应用本身构建【动态代理】。定义类（defineClass ）方法会将字节数组转换为Class的实例，这个新定义类的实例可以由Class.newInstance创建。

由类加载器创建的对象的方法和构造方法可能引用其它的类，为了确定被引用的类，Java虚拟机会调用最初创建类的类加载器的loadClass方法。

二进制名称：以字符串参数的形式向CalssLoader提供的任意一个类名，必须是一个二进制的名称，包含以下四种情况

• "java.lang.String" 正常类
• "javax.swing.JSpinner$DefaultEditor" 内部类
• "java.security.KeyStore\(Builder\)FileBuilder$1" KeyStore的内部类Builder的内部类FileBuilder的第一个匿名内部类
• "java.net.URLClassLoader$3$1" URLClassLoader类的第三个匿名内部类的第一个匿名内部类

代码一：

public class Test12 {
    public static void main(String[] args) {
        String[] strings = new String[6];
        System.out.println(strings.getClass().getClassLoader());
        // 运行结果：null

        Test12[] test12s = new Test12[1];
        System.out.println(test12s.getClass().getClassLoader());
        // 运行结果：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        int[] ints = new int[2];
        System.out.println(ints.getClass().getClassLoader());
        // 运行结果：null
    }
}

loadClass方法

loadClass的源码如下， loadClass方法加载拥有指定的二进制名称的Class，默认按照如下顺序寻找类：

• 调用findLoadedClass(String)检查这个类是否被加载
• 调用父类加载器的loadClass方法，如果父类加载器为null，就会调用启动类加载器
• 调用findClass(String)方法寻找

使用上述步骤如果类被找到且resolve为true，就会去调用resolveClass(Class)方法

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
  throws ClassNotFoundException
{
  synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
      // First, check if the class has already been loaded
      Class<?> c = findLoadedClass(name);
      if (c == null) {
          long t0 = System.nanoTime();
          try {
              if (parent != null) {
                  c = parent.loadClass(name, false);
              } else {
                  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();
              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;
  }
}

findClass方法

findClass的源码如下，findClass寻找拥有指定二进制名称的类，JVM鼓励我们重写此方法，需要自定义加载器遵循双亲委托机制，该方法会在检查完父类加载器之后被loadClass方法调用，默认返回ClassNotFoundException异常。

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

defineClass方法

defineClass的源码如下，defineClass方法将一个字节数组转换为Class的实例。

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;
}

自定义类加载器

/**
 * 继承了ClassLoader，这是一个自定义的类加载器
 * @author 夜的那种黑丶
 */
public class ClassLoaderTest extends ClassLoader {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ClassLoaderTest loader = new ClassLoaderTest("loader");
       Class<?> clazz = loader.loadClass("classloader.Test01");
        Object object = clazz.newInstance();
        System.out.println(object);
        System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
    }
    //------------------------------以上为测试代码---------------------------------

    /**
     * 类加载器名称，标识作用
     */
    private String classLoaderName;

    /**
     * 从磁盘读物字节码文件的扩展名
     */
    private String fileExtension = ".class";

    /**
     * 创建一个类加载器对象，将系统类加载器当做该类加载器的父加载器
     * @param classLoaderName 类加载器名称
     */
    private ClassLoaderTest(String classLoaderName) {
        // 将系统类加载器当做该类加载器的父加载器
        super();
        this.classLoaderName = classLoaderName;
    }

    /**
     * 创建一个类加载器对象，显示指定该类加载器的父加载器
     * 前提是需要有一个类加载器作为父加载器
     * @param parent 父加载器
     * @param classLoaderName 类加载器名称
     */
    private ClassLoaderTest(ClassLoader parent, String classLoaderName) {
        // 显示指定该类加载器的父加载器
        super(parent);
        this.classLoaderName = classLoaderName;
    }

    /**
     * 寻找拥有指定二进制名称的类，重写ClassLoader类的同名方法，需要自定义加载器遵循双亲委托机制
     * 该方法会在检查完父类加载器之后被loadClass方法调用
     * 默认返回ClassNotFoundException异常
     * @param className 类名
     * @return Class的实例
     * @throws ClassNotFoundException 如果类不能被找到，抛出此异常
     */
    @Override
    protected Class<?> findClass(String className) throws ClassNotFoundException {
        byte[] data = this.loadClassData(className);
        /*
         * 通过defineClass方法将字节数组转换为Class
         * defineClass：将一个字节数组转换为Class的实例，在使用这个Class之前必须要被解析
         */
        return this.defineClass(className, data, 0 , data.length);
    }

    /**
     * io操作，根据类名找到对应文件，返回class文件的二进制信息
     * @param className 类名
     * @return class文件的二进制信息
     * @throws ClassNotFoundException 如果类不能被找到，抛出此异常
     */
    private byte[] loadClassData(String className) throws ClassNotFoundException {
        InputStream inputStream = null;
        byte[] data;
        ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = null;

        try {
            this.classLoaderName = this.classLoaderName.replace(".", "/");
            inputStream = new FileInputStream(new File(className + this.fileExtension));
            byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();

            int ch;
            while (-1 != (ch = inputStream.read())) {
                byteArrayOutputStream.write(ch);
            }

            data = byteArrayOutputStream.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } finally {
            try {
                if (inputStream != null) {
                    inputStream.close();
                }
                if (byteArrayOutputStream != null) {
                    byteArrayOutputStream.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return data;
    }
}

以上是一段自定义类加载器的代码，我们执行这段代码

classloader.Test01@7f31245a
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

可以看见，这段代码中进行类加载的类加载器还是系统类加载器（AppClassLoader）。这是因为jvm的双亲委托机制造成的，private ClassLoaderTest(String classLoaderName)将系统类加载器当做我们自定义类加载器的父加载器，jvm的双亲委托机制使自定义类加载器委托系统类加载器完成加载。

改造以下代码，添加一个path属性用来指定类加载位置：

public class ClassLoaderTest extends ClassLoader {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ClassLoaderTest loader = new ClassLoaderTest("loader");
        loader.setPath("/home/fanxuan/Study/java/jvmStudy/out/production/jvmStudy/");
        Class<?> clazz = loader.loadClass("classloader.Test01");
        System.out.println("class:" + clazz);

        Object object = clazz.newInstance();
        System.out.println(object);
        System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
    }
    //------------------------------以上为测试代码---------------------------------

    /**
     * 从指定路径加载
     */
    private String path;

    ......

    /**
     * io操作，根据类名找到对应文件，返回class文件的二进制信息
     * @param className 类名
     * @return class文件的二进制信息
     * @throws ClassNotFoundException 如果类不能被找到，抛出此异常
     */
    private byte[] loadClassData(String className) throws ClassNotFoundException {
        InputStream inputStream = null;
        byte[] data;
        ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = null;

        className = className.replace(".", "/");

        try {
            this.classLoaderName = this.classLoaderName.replace(".", "/");
            inputStream = new FileInputStream(new File(this.path + className + this.fileExtension));
            byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();

            int ch;
            while (-1 != (ch = inputStream.read())) {
                byteArrayOutputStream.write(ch);
            }

            data = byteArrayOutputStream.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } finally {
            try {
                if (inputStream != null) {
                    inputStream.close();
                }
                if (byteArrayOutputStream != null) {
                    byteArrayOutputStream.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return data;
    }

    public void setPath(String path) {
        this.path = path;
    }
}

运行一下

class:class classloader.Test01
classloader.Test01@7f31245a
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

修改一下测试代码，并删除工程下的Test01.class文件

public static void main(String[] args) throws Exception {
    ClassLoaderTest loader = new ClassLoaderTest("loader");
   loader.setPath("/home/fanxuan/桌面/");
    Class<?> clazz = loader.loadClass("classloader.Test01");
    System.out.println("class:" + clazz);

    Object object = clazz.newInstance();
    System.out.println(object);
    System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
}

运行一下

class:class classloader.Test01
classloader.Test01@135fbaa4
classloader.ClassLoaderTest@7f31245a

分析

改造后的两块代码，第一块代码中加载类的是系统类加载器AppClassLoader，第二块代码中加载类的是自定义类加载器ClassLoaderTest。是因为ClassLoaderTest会委托他的父加载器AppClassLoader加载class，第一块代码的path直接是工程下，AppClassLoader可以加载到，而第二块代码的path在桌面目录下，所以AppClassLoader无法加载到，然后ClassLoaderTest自身尝试加载并成功加载到。如果第二块代码工程目录下的Test01.class文件没有被删除，那么依然是AppClassLoader加载。

再来测试一块代码

public static void main(String[] args) throws Exception {
    ClassLoaderTest loader = new ClassLoaderTest("loader");
    loader.setPath("/home/fanxuan/Study/java/jvmStudy/out/production/jvmStudy/");
    Class<?> clazz = loader.loadClass("classloader.Test01");
    System.out.println("class:" + clazz.hashCode());

    Object object = clazz.newInstance();
    System.out.println(object.getClass().getClassLoader());

    ClassLoaderTest loader2 = new ClassLoaderTest("loader");
    loader2.setPath("/home/fanxuan/Study/java/jvmStudy/out/production/jvmStudy/");
    Class<?> clazz2 = loader2.loadClass("classloader.Test01");
    System.out.println("class:" + clazz2.hashCode());

    Object object2 = clazz2.newInstance();
    System.out.println(object2.getClass().getClassLoader());
}

结果显而易见，类由系统类加载器加载，并且clazz和clazz2是相同的。

class:2133927002
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
class:2133927002
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

在改造一下

public static void main(String[] args) throws Exception {
    ClassLoaderTest loader = new ClassLoaderTest("loader");
    loader.setPath("/home/fanxuan/桌面/");
    Class<?> clazz = loader.loadClass("classloader.Test01");
    System.out.println("class:" + clazz.hashCode());

    Object object = clazz.newInstance();
    System.out.println(object.getClass().getClassLoader());

    ClassLoaderTest loader2 = new ClassLoaderTest("loader2");
    loader2.setPath("/home/fanxuan/桌面/");
    Class<?> clazz2 = loader2.loadClass("classloader.Test01");
    System.out.println("class:" + clazz2.hashCode());

    Object object2 = clazz2.newInstance();
    System.out.println(object2.getClass().getClassLoader());
}

运行结果

class:325040804
classloader.ClassLoaderTest@7f31245a
class:621009875
classloader.ClassLoaderTest@45ee12a7

ClassLoaderTest是显而易见，但是clazz和clazz2是不同的，这是因为类加载器的命名空间的原因。

我们可以通过设置父类加载器来让loader和loader2处于同一命名空间

public static void main(String[] args) throws Exception {
    ClassLoaderTest loader = new ClassLoaderTest("loader");
    loader.setPath("/home/fanxuan/桌面/");
    Class<?> clazz = loader.loadClass("classloader.Test01");
    System.out.println("class:" + clazz.hashCode());

    Object object = clazz.newInstance();
    System.out.println(object.getClass().getClassLoader());

    ClassLoaderTest loader2 = new ClassLoaderTest(loader, "loader2");
    loader2.setPath("/home/fanxuan/桌面/");
    Class<?> clazz2 = loader2.loadClass("classloader.Test01");
    System.out.println("class:" + clazz2.hashCode());

    Object object2 = clazz2.newInstance();
    System.out.println(object2.getClass().getClassLoader());
}

运行结果

class:325040804
classloader.ClassLoaderTest@7f31245a
class:325040804
classloader.ClassLoaderTest@7f31245a

扩展：命名空间

• 每个类加载器都有自己的命名空间，命名空间由该加载器及所有的父加载器所加载的类组成
• 在同一命名空间中，不会出现类的完整名字（包括类的包名）相同的两个类
• 在不同的命名空间中，有可能会出现类的完整名字（包括类的包名）相同的两个类