JavaClassLoader原理詳細分析

1、大家都知道，當我們寫好一個Java程序之后，不是管是CS還是BS應用，都是由若干個.class文件組織而成的一個完整的Java應用程序，當程序在運行時，即會調用該程序的一個入口函數(shù)來調用系統(tǒng)的相關功能，而這些功能都被封裝在不同的class文件當中，所以經常要從這個class文件中要調用另外一個class文件中的方法，如果另外一個文件不存在的，則會引發(fā)系統(tǒng)異常。而程序在啟動的時候，并不會一次性加載程序所要用的所有class文件，而是根據(jù)程序的需要，通過Java的類加載機制（ClassLoader）來動態(tài)加載某個class文件到內存當中的，從而只有class文件被載入到了內存之后，才能被其它cla

2、ss所引用。所以ClassLoader就是用來動態(tài)加載class文件到內存當中用的。二、 Java默認提供的三個ClassLoader1.Bootstrap ClassLoader：稱為啟動類加載器，是Java類加載層次中最頂層的類加載器，負責加載JDK中的核心類庫，如：rt.jar、resources.jar、charsets.jar等，可通過如下程序獲得該類加載器從哪些地方加載了相關的jar或class文件：1. URL urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs(); 2. for (int i = 0; i

3、 < urls.length; i+) 3. System.out.println(urlsi.toExternalForm();4. 以下內容是上述程序從本機JDK環(huán)境所獲得的結果：file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/resources.jarfile:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/rt.jarfile:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/sunrsasign.jarfile:/C:/Program%20Fil

4、es/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jsse.jarfile:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jce.jarfile:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/charsets.jarfile:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/classes/其實上述結果也是通過查找sun.boot.class.path這個系統(tǒng)屬性所得知的。System.out.println(System.getProperty("sun.b

5、oot.class.path");打印結果：C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibresources.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibsunrsasign.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibjsse.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibjce.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibchar

6、sets.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jreclasses2.Extension ClassLoader：稱為擴展類加載器，負責加載Java的擴展類庫，默認加載JAVA_HOME/jre/lib/ext/目下的所有jar。3.App ClassLoader：稱為系統(tǒng)類加載器，負責加載應用程序classpath目錄下的所有jar和class文件。注意： 除了Java默認提供的三個ClassLoader之外，用戶還可以根據(jù)需要定義自已的ClassLoader，而這些自定義的ClassLoader都必須繼承自java.lang.ClassLoader

7、類，也包括Java提供的另外二個ClassLoader（Extension ClassLoader和App ClassLoader）在內，但是Bootstrap ClassLoader不繼承自ClassLoader，因為它不是一個普通的Java類，底層由C+編寫，已嵌入到了JVM內核當中，當JVM啟動后，Bootstrap ClassLoader也隨著啟動，負責加載完核心類庫后，并構造Extension ClassLoader和App ClassLoader類加載器。三、ClassLoader加載類的原理1、原理介紹ClassLoader使用的是雙親委托模型來搜索類的，每個ClassLoade

8、r實例都有一個父類加載器的引用（不是繼承的關系，是一個包含的關系），虛擬機內置的類加載器（Bootstrap ClassLoader）本身沒有父類加載器，但可以用作其它ClassLoader實例的的父類加載器。當一個ClassLoader實例需要加載某個類時，它會試圖親自搜索某個類之前，先把這個任務委托給它的父類加載器，這個過程是由上至下依次檢查的，首先由最頂層的類加載器Bootstrap ClassLoader試圖加載，如果沒加載到，則把任務轉交給Extension ClassLoader試圖加載，如果也沒加載到，則轉交給App ClassLoader 進行加載，如果它也沒有加載得到的話，則

9、返回給委托的發(fā)起者，由它到指定的文件系統(tǒng)或網絡等URL中加載該類。如果它們都沒有加載到這個類時，則拋出ClassNotFoundException異常。否則將這個找到的類生成一個類的定義，并將它加載到內存當中，最后返回這個類在內存中的Class實例對象。2、為什么要使用雙親委托這種模型呢？因為這樣可以避免重復加載，當父親已經加載了該類的時候，就沒有必要子ClassLoader再加載一次?？紤]到安全因素，我們試想一下，如果不使用這種委托模式，那我們就可以隨時使用自定義的String來動態(tài)替代java核心api中定義的類型，這樣會存在非常大的安全隱患，而雙親委托的方式，就可以避免這種情況，因為St

10、ring已經在啟動時就被引導類加載器（Bootstrap ClassLoader）加載，所以用戶自定義的ClassLoader永遠也無法加載一個自己寫的String，除非你改變JDK中ClassLoader搜索類的默認算法。3、 但是JVM在搜索類的時候，又是如何判定兩個class是相同的呢？JVM在判定兩個class是否相同時，不僅要判斷兩個類名是否相同，而且要判斷是否由同一個類加載器實例加載的。只有兩者同時滿足的情況下，JVM才認為這兩個class是相同的。就算兩個class是同一份class字節(jié)碼，如果被兩個不同的ClassLoader實例所加載，JVM也會認為它們是兩個不同class。

11、比如網絡上的一個Java類org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple，javac編譯之后生成字節(jié)碼文件NetClassLoaderSimple.class，ClassLoaderA和ClassLoaderB這兩個類加載器并讀取了NetClassLoaderSimple.class文件，并分別定義出了java.lang.Class實例來表示這個類，對于JVM來說，它們是兩個不同的實例對象，但它們確實是同一份字節(jié)碼文件，如果試圖將這個Class實例生成具體的對象進行轉換時，就會拋運行時異常java.lang.ClassCaseException，提示這是

12、兩個不同的類型?，F(xiàn)在通過實例來驗證上述所描述的是否正確：1）、在web服務器上建一個org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple.java類package org.classloader.simple; public class NetClassLoaderSimple private NetClassLoaderSimple instance; public void setNetClassLoaderSimple(Object obj) this.instance = (NetClassLoaderSimple)obj; org.classload

13、er.simple.NetClassLoaderSimple類的setNetClassLoaderSimple方法接收一個Object類型參數(shù)，并將它強制轉換成org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple類型。2）、測試兩個class是否相同（NetWorkClassLoader.java）package classloader; public class NewworkClassLoaderTest public static void main(String args) try /測試加載網絡中的class文件 String rootUrl = &

14、quot;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<

15、;?> 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(); 首先獲得網絡上一個class文件的二進制名稱，然后通過自定義的類加載器NetworkClassLoader創(chuàng)建兩

16、個實例，并根據(jù)網絡地址分別加載這份class，并得到這兩個ClassLoader實例加載后生成的Class實例clazz1和clazz2，最后將這兩個Class實例分別生成具體的實例對象obj1和obj2，再通過反射調用clazz1中的setNetClassLoaderSimple方法。3）、查看測試結果結論：從結果中可以看出，雖然是同一份class字節(jié)碼文件，但是由于被兩個不同的ClassLoader實例所加載，所以JVM認為它們就是兩個不同的類。4、ClassLoader的體系架構：驗證ClassLoader加載類的原理：測試1：打印ClassLoader類的層次結構，請看下面這段代碼：C

17、lassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader(); /獲得加載ClassLoaderTest.class這個類的類加載器 while(loader != null) System.out.println(loader); loader = loader.getParent(); /獲得父類加載器的引用 System.out.println(loader);打印結果：第一行結果說明：ClassLoaderTest的類加載器是AppClassLoader。第二行結果說明：AppClassLoader的類加器是ExtClassLoa

18、der，即parent=ExtClassLoader。第三行結果說明：ExtClassLoader的類加器是Bootstrap ClassLoader，因為Bootstrap ClassLoader不是一個普通的Java類，所以ExtClassLoader的parent=null，所以第三行的打印結果為null就是這個原因。測試2：將ClassLoaderTest.class打包成ClassLoaderTest.jar，放到Extension ClassLoader的加載目錄下（JAVA_HOME/jre/lib/ext），然后重新運行這個程序，得到的結果會是什么樣呢？打印結果：打印結果分析：

19、為什么第一行的結果是ExtClassLoader呢？因為ClassLoader的委托模型機制，當我們要用ClassLoaderTest.class這個類的時候，AppClassLoader在試圖加載之前，先委托給Bootstrap ClassLoader，Bootstracp ClassLoader發(fā)現(xiàn)自己沒找到，它就告訴ExtClassLoader，兄弟，我這里沒有這個類，你去加載看看，然后Extension ClassLoader拿著這個類去它指定的類路徑（JAVA_HOME/jre/lib/ext）試圖加載，唉，它發(fā)現(xiàn)在ClassLoaderTest.jar這樣一個文件中包含ClassL

20、oaderTest.class這樣的一個文件，然后它把找到的這個類加載到內存當中，并生成這個類的Class實例對象，最后把這個實例返回。所以ClassLoaderTest.class的類加載器是ExtClassLoader。第二行的結果為null，是因為ExtClassLoader的父類加載器是Bootstrap ClassLoader。測試3：用Bootstrap ClassLoader來加載ClassLoaderTest.class，有兩種方式：1、在jvm中添加-Xbootclasspath參數(shù)，指定Bootstrap ClassLoader加載類的路徑，并追加我們自已的jar（Clas

21、sTestLoader.jar）2、將class文件放到JAVA_HOME/jre/classes/目錄下（上面有提到）方式1：（我用的是Eclipse開發(fā)工具，用命令行是在java命令后面添加-Xbootclasspath參數(shù)）打開Run配置對話框：配置好如圖中所述的參數(shù)后，重新運行程序，產的結果如下所示：（類加載的過程，只摘下了一部份）打印結果：Loaded java.io.FileReader from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded sun.nio.cs.StreamDecoder from C:Program Fil

22、esJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.ArrayList from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.lang.reflect.Array from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.Locale from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.concurrent.ConcurrentMap fr

23、om C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.concurrent.locks.Lock from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock from C:Program FilesJavaj

24、dk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer from

25、 C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueue

26、dSynchronizer$Node from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.lang.CharacterDataLatin1 from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.io.ObjectStreamClass from C:Prog

27、ram FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded .www.ParseUtil from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.BitSet from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded .Parts from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded .URLStreamHandler from C:Program FilesJavajdk1.6.0_2

28、2jrelibrt.jar Loaded .tocol.file.Handler from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.util.HashSet from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded .tocol.jar.Handler from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader from C:Pro

29、gram FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader$1 from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Path C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jreclasses Loaded classloader.ClassLoaderTest fr

30、om C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jreclasses null /這是打印的結果 C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibresources.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar; C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibsunrsasign.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibjsse.jar; C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibjce.jar;C:Progr

31、am FilesJavajdk1.6.0_22jrelibcharsets.jar; C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jreclasses;c:ClassLoaderTest.jar /這一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path");打印出來的。這個路徑就是Bootstrap ClassLoader默認搜索類的路徑 Loaded java.lang.Shutdown from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar Lo

32、aded java.lang.Shutdown$Lock from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibrt.jar方式2：將ClassLoaderTest.jar解壓后，放到JAVA_HOME/jre/classes目錄下，如下圖所示：提示：jre目錄下默認沒有classes目錄，需要自己手動創(chuàng)建一個打印結果：從結果中可以看出，兩種方式都實現(xiàn)了將ClassLoaderTest.class由Bootstrap ClassLoader加載成功了。四、定義自已的ClassLoader既然JVM已經提供了默認的類加載器，為什么還要定義自已的類加載器呢？因為Java

33、中提供的默認ClassLoader，只加載指定目錄下的jar和class，如果我們想加載其它位置的類或jar時，比如：我要加載網絡上的一個class文件，通過動態(tài)加載到內存之后，要調用這個類中的方法實現(xiàn)我的業(yè)務邏輯。在這樣的情況下，默認的ClassLoader就不能滿足我們的需求了，所以需要定義自己的ClassLoader。定義自已的類加載器分為兩步：1、繼承java.lang.ClassLoader2、重寫父類的findClass方法讀者可能在這里有疑問，父類有那么多方法，為什么偏偏只重寫findClass方法？因為JDK已經在loadClass方法中幫我們實現(xiàn)了ClassLoader搜索類

34、的算法，當在loadClass方法中搜索不到類時，loadClass方法就會調用findClass方法來搜索類，所以我們只需重寫該方法即可。如沒有特殊的要求，一般不建議重寫loadClass搜索類的算法。下圖是API中ClassLoader的loadClass方法：示例：自定義一個NetworkClassLoader，用于加載網絡上的class文件package classloader; import java.io.ByteArrayOutputStream; import java.io.InputStream; import .URL; /* * 加載網絡class的ClassLoade

35、r */ 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 = this.findLoadedClass(name); / 若該類已加載則返回其實例，否則返回NULL

36、if (clazz = null) /檢查該類是否已被加載過 byte classData = getClassData(name); /根據(jù)類的二進制名稱,獲得該class文件的字節(jié)碼數(shù)組 if (classData = null) throw new ClassNotFoundException(); clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length); /將class的字節(jié)碼數(shù)組轉換成Class類的實例 return clazz; private byte getClassData(String name) InputStr

37、eam is = null; try String path = classNameToPath(name); URL url = new URL(path); byte buff = new byte1024*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 (Excep

38、tion 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" 測試類：package classloader; public cla

39、ss ClassLoaderTest public static void main(String args) try /*ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader(); /獲得ClassLoaderTest這個類的類加載器 while(loader != null) System.out.println(loader); loader = loader.getParent(); /獲得父加載器的引用 System.out.println(loader);*/ String rootUrl = "http:/l

40、ocalhost: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)

41、e.printStackTrace(); 打印結果：下圖是我機器上web服務器的目錄結構：目前常用web服務器中都定義了自己的類加載器，用于加載web應用指定目錄下的類庫（jar或class），如：Weblogic、Jboss、tomcat等，下面我以Tomcat為例，展示該web容器都定義了哪些個類加載器：1、新建一個web工程httpweb2、新建一個ClassLoaderServletTest，用于打印web容器中的ClassLoader層次結構import java.io.IOException; import java.io.PrintWriter; import javax.servlet.ServletException; import javax.servlet.http.HttpServlet; import javax.servlet.http.HttpServletRequest; impor