深入分析Java ClassLoader原理

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

1、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，可通过如下程序获得该类加载器从哪些地方加载了相关的jar或class文件：

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

以下内容是上述程序从本机JDK环境所获得的结果：

file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_73/jre/lib/resources.jarfile:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_73/jre/lib/rt.jarfile:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_73/jre/lib/sunrsasign.jarfile:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_73/jre/lib/jsse.jarfile:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_73/jre/lib/jce.jarfile:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_73/jre/lib/charsets.jarfile:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_73/jre/lib/jfr.jarfile:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_73/jre/classes

其实上述结果也是通过查找sun.boot.class.path这个系统属性所得知的。

System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));  

2、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。还可以加载-D java.ext.dirs选项指定的目录。

3、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。

为了更好的理解，我们可以查看源码。

看sun.misc.Launcher,它是一个java虚拟机的入口应用。

public class Launcher {    private static Launcher launcher = new Launcher();    private static String bootClassPath =        System.getProperty("sun.boot.class.path");    public static Launcher getLauncher() {        return launcher;    }    private ClassLoader loader;    public Launcher() {        // Create the extension class loader        ClassLoader extcl;        try {            extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();        } catch (IOException e) {            throw new InternalError(                "Could not create extension class loader", e);        }        // Now create the class loader to use to launch the application        try {            loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);        } catch (IOException e) {            throw new InternalError(                "Could not create application class loader", e);        }        //设置AppClassLoader为线程上下文类加载器，这个文章后面部分讲解        Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);    }    /*     * Returns the class loader used to launch the main application.     */    public ClassLoader getClassLoader() {        return loader;    }    /*     * The class loader used for loading installed extensions.     */    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {}    /**     * The class loader used for loading from java.class.path.     * runs in a restricted security context.     */    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {}

源码有精简，我们可以得到相关的信息。
1. Launcher初始化了ExtClassLoader和AppClassLoader。
2. Launcher中并没有看见BootstrapClassLoader，但通过System.getProperty("sun.boot.class.path")得到了字符串bootClassPath,这个应该就是BootstrapClassLoader加载的jar包路径。以上已测试过，可以看到，全是JRE目录下的jar包或者是class文件。

ExtClassLoader源码

如果你有足够的好奇心，你应该会对它的源码感兴趣

    /*     * The class loader used for loading installed extensions.     */    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {        static {            ClassLoader.registerAsParallelCapable();        }        /**         * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created         * within a context that limits which files it can read         */        public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException        {            final File[] dirs = getExtDirs();            try {                // Prior implementations of this doPrivileged() block supplied                // aa synthesized ACC via a call to the private method                // ExtClassLoader.getContext().                return AccessController.doPrivileged(                    new PrivilegedExceptionAction<ExtClassLoader>() {                        public ExtClassLoader run() throws IOException {                            int len = dirs.length;                            for (int i = 0; i < len; i++) {                                MetaIndex.registerDirectory(dirs[i]);                            }                            return new ExtClassLoader(dirs);                        }                    });            } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {                throw (IOException) e.getException();            }        }        private static File[] getExtDirs() {            String s = System.getProperty("java.ext.dirs");            File[] dirs;            if (s != null) {                StringTokenizer st =                    new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);                int count = st.countTokens();                dirs = new File[count];                for (int i = 0; i < count; i++) {                    dirs[i] = new File(st.nextToken());                }            } else {                dirs = new File[0];            }            return dirs;        }        ......    }

我们先前的内容有说过，可以指定-D java.ext.dirs参数来添加和改变ExtClassLoader的加载路径。这里我们通过可以编写测试代码。

System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));

结果如下：

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_73\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

AppClassLoader源码

    /**     * The class loader used for loading from java.class.path.     * runs in a restricted security context.     */    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {        public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader extcl)            throws IOException        {            final String s = System.getProperty("java.class.path");            final File[] path = (s == null) ? new File[0] : getClassPath(s);            return AccessController.doPrivileged(                new PrivilegedAction<AppClassLoader>() {                    public AppClassLoader run() {                    URL[] urls =                        (s == null) ? new URL[0] : pathToURLs(path);                    return new AppClassLoader(urls, extcl);                }            });        }        ......    }

可以看到AppClassLoader加载的就是java.class.path下的路径。我们同样打印它的值。

System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));

结果：

G:\workspace\javatest\target\classes

这个路径其实就是当前java工程目录bin，里面存放的是编译生成的class文件。

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。

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：

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：

sun.misc.Launcher$[e-mail]$ExtClassLoader@2a139a55null

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。

注意：在双亲委托模型中，AppClassLoader的类加器是ExtClassLoader，但从源码可以看出AppClassLoader 和 ExtClassLoader 都扩展于 URLClassLoader加载器.说明AppClassLoader而非继承ExtClassLoader.

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：

sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4e25154fnull

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。

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

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：

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：

摘自：
深入分析Java ClassLoader原理

一看你就懂，超详细java中的ClassLoader详解

分析AppClassLoader,ExtClassLoader 和URLClassLoader 的关系