超詳細java中的ClassLoader詳解

時間  2020-02-03
標籤 詳細 java classloader 詳解 欄目 Java 简体版
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本篇文章已受權微信公衆號 guolin_blog （郭霖）獨家發佈html

ClassLoader翻譯過來就是類加載器，普通的Java開發者其實用到的很少，但對於某些框架開發者來講卻很是常見。理解ClassLoader的加載機制，也有利於咱們編寫出更高效的代碼。ClassLoader的具體做用就是將class文件加載到jvm虛擬機中去，程序就能夠正確運行了。可是，jvm啓動的時候，並不會一次性加載全部的class文件，而是根據須要去動態加載。想一想也是的，一次性加載那麼多jar包那麼多class，那內存不崩潰。本文的目的也是學習ClassLoader這種加載機制。java

備註：本文篇幅比較長，但內容簡單，你們不要恐慌，安靜地耐心翻閱就是python

Class文件的認識

咱們都知道在Java中程序是運行在虛擬機中，咱們日常用文本編輯器或者是IDE編寫的程序都是.java格式的文件，這是最基礎的源碼，但這類文件是不能直接運行的。如咱們編寫一個簡單的程序HelloWorld.javaandroid

public class HelloWorld{

    public static void main(String[] args){
        System.out.println("Hello world!");
    }
}
  •  

如圖： 
這裏寫圖片描述 
而後，咱們須要在命令行中進行java文件的編譯編程

javac HelloWorld.java
  •  

這裏寫圖片描述 
能夠看到目錄下生成了.class文件bootstrap

咱們再從命令行中執行命令：api

java HelloWorld
  •  

這裏寫圖片描述

上面是基本代碼示例，是全部入門JAVA語言時都學過的東西，這裏從新拿出來是想讓你們將焦點回到class文件上，class文件是字節碼格式文件，java虛擬機並不能直接識別咱們日常編寫的.java源文件，因此須要javac這個命令轉換成.class文件。另外，若是用C或者Python編寫的程序正確轉換成.class文件後，java虛擬機也是能夠識別運行的。更多信息你們能夠參考這篇。緩存

瞭解了.class文件後，咱們再來思考下，咱們日常在Eclipse中編寫的java程序是如何運行的，也就是咱們本身編寫的各類類是如何被加載到jvm(java虛擬機)中去的。安全

你還記得java環境變量嗎？

初學java的時候，最懼怕的就是下載JDK後要配置環境變量了，關鍵是當時不理解，因此戰戰兢兢地照着書籍上或者是網絡上的介紹進行操做。而後下次再弄的時候，又忘記了並且是必忘。當時，內心的想法很氣憤的，想着是–這東西一點也不人性化，爲何非要本身配置環境變量呢？太不照顧菜鳥和新手了，不少菜鳥就是由於卡在環境變量的配置上，遭受了太多的挫敗感。微信

由於我是在Windows下編程的，因此只講Window平臺上的環境變量，主要有3個：JAVA_HOME、PATH、CLASSPATH。

JAVA_HOME

指的是你JDK安裝的位置，通常默認安裝在C盤，如

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_91
  •  

PATH

將程序路徑包含在PATH當中後，在命令行窗口就能夠直接鍵入它的名字了，而再也不須要鍵入它的全路徑,好比上面代碼中我用的到javac和java兩個命令。 
通常的

PATH=%JAVA_HOME%\bin;%JAVA_HOME%\jre\bin;%PATH%;
  •  

也就是在原來的PATH路徑上添加JDK目錄下的bin目錄和jre目錄的bin.

CLASSPATH

CLASSPATH=.;%JAVA_HOME%\lib;%JAVA_HOME%\lib\tools.jar
  •  

一看就是指向jar包路徑。 
須要注意的是前面的.;，.表明當前目錄。

環境變量的設置與查看

設置能夠右擊個人電腦，而後點擊屬性，再點擊高級，而後點擊環境變量，具體不明白的自行查閱文檔。

查看的話能夠打開命令行窗口

echo %JAVA_HOME%

echo %PATH%

echo %CLASSPATH%
  •  

好了，扯遠了，知道了環境變量，特別是CLASSPATH時，咱們進入今天的主題Classloader.

JAVA類加載流程

Java語言系統自帶有三個類加載器: 
- Bootstrap ClassLoader 最頂層的加載類，主要加載核心類庫，%JRE_HOME%\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar和class等。另外須要注意的是能夠經過啓動jvm時指定-Xbootclasspath和路徑來改變Bootstrap ClassLoader的加載目錄。好比java -Xbootclasspath/a:path被指定的文件追加到默認的bootstrap路徑中。咱們能夠打開個人電腦，在上面的目錄下查看，看看這些jar包是否是存在於這個目錄。 
- Extention ClassLoader 擴展的類加載器，加載目錄%JRE_HOME%\lib\ext目錄下的jar包和class文件。還能夠加載-D java.ext.dirs選項指定的目錄。 
- Appclass Loader也稱爲SystemAppClass 加載當前應用的classpath的全部類。

咱們上面簡單介紹了3個ClassLoader。說明了它們加載的路徑。而且還提到了-Xbootclasspath和-D java.ext.dirs這兩個虛擬機參數選項。

加載順序？

咱們看到了系統的3個類加載器，但咱們可能不知道具體哪一個先行呢？ 
我能夠先告訴你答案 
1. Bootstrap CLassloder 
2. Extention ClassLoader 
3. AppClassLoader

爲了更好的理解，咱們能夠查看源碼。 
看sun.misc.Launcher,它是一個java虛擬機的入口應用。

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);
        }

        //設置AppClassLoader爲線程上下文類加載器，這個文章後面部分講解
        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 {}
  •  

源碼有精簡，咱們能夠獲得相關的信息。 
1. Launcher初始化了ExtClassLoader和AppClassLoader。 
2. Launcher中並無看見BootstrapClassLoader，但經過System.getProperty("sun.boot.class.path")獲得了字符串bootClassPath,這個應該就是BootstrapClassLoader加載的jar包路徑。

咱們能夠先代碼測試一下sun.boot.class.path是什麼內容。

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

獲得的結果是：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\resources.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\rt.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\sunrsasign.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jsse.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jce.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\charsets.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jfr.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\classes
  •  

能夠看到，這些全是JRE目錄下的jar包或者是class文件。

ExtClassLoader源碼

若是你有足夠的好奇心，你應該會對它的源碼感興趣

/*
     * 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;
        }

......
    }
  •  

咱們先前的內容有說過，能夠指定-D java.ext.dirs參數來添加和改變ExtClassLoader的加載路徑。這裏咱們經過能夠編寫測試代碼。

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

結果以下：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
  •  

AppClassLoader源碼

/**
     * 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);
                }
            });
        }

        ......
    }
  •  

能夠看到AppClassLoader加載的就是java.class.path下的路徑。咱們一樣打印它的值。

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

結果：

D:\workspace\ClassLoaderDemo\bin
  •  

這個路徑其實就是當前java工程目錄bin，裏面存放的是編譯生成的class文件。

好了，自此咱們已經知道了BootstrapClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader實際是查閱相應的環境屬性sun.boot.class.path、java.ext.dirs和java.class.path來加載資源文件的。

接下來咱們探討它們的加載順序，咱們先用Eclipse創建一個java工程。 
這裏寫圖片描述 
而後建立一個Test.java文件。

public class Test{}
  •  

而後，編寫一個ClassLoaderTest.java文件。

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub

        ClassLoader cl = Test.class.getClassLoader();

        System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());

    }

}
  •  

咱們獲取到了Test.class文件的類加載器，而後打印出來。結果是：

ClassLoader is:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93
  •  

也就是說明Test.class文件是由AppClassLoader加載的。

這個Test類是咱們本身編寫的，那麼int.class或者是String.class的加載是由誰完成的呢？ 
咱們能夠在代碼中嘗試

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub

        ClassLoader cl = Test.class.getClassLoader();

        System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());

        cl = int.class.getClassLoader();

        System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());

    }

}
  •  

運行一下，卻報錯了

ClassLoader is:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
    at ClassLoaderTest.main(ClassLoaderTest.java:15)

 

 

提示的是空指針，意思是int.class這類基礎類沒有類加載器加載？

固然不是！ 
int.class是由Bootstrap ClassLoader加載的。要想弄明白這些，咱們首先得知道一個前提。

每一個類加載器都有一個父加載器

每一個類加載器都有一個父加載器，好比加載Test.class是由AppClassLoader完成，那麼AppClassLoader也有一個父加載器，怎麼樣獲取呢？很簡單，經過getParent方法。好比代碼能夠這樣編寫：

ClassLoader cl = Test.class.getClassLoader();

System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());
System.out.println("ClassLoader\'s parent is:"+cl.getParent().toString());

 

 

運行結果以下：

ClassLoader is:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93
ClassLoader's parent is:sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@15db9742
  •  

這個說明，AppClassLoader的父加載器是ExtClassLoader。那麼ExtClassLoader的父加載器又是誰呢？

System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());
System.out.println("ClassLoader\'s parent is:"+cl.getParent().toString());
System.out.println("ClassLoader\'s grand father is:"+cl.getParent().getParent().toString());
  •  

運行若是：

ClassLoader is:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93
Exception in thread "main" ClassLoader's parent is:sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@15db9742
java.lang.NullPointerException
    at ClassLoaderTest.main(ClassLoaderTest.java:13)
  •  

又是一個空指針異常，這代表ExtClassLoader也沒有父加載器。那麼，爲何標題又是每個加載器都有一個父加載器呢？這不矛盾嗎？爲了解釋這一點，咱們還須要看下面的一個基礎前提。

父加載器不是父類

咱們先前已經粘貼了ExtClassLoader和AppClassLoader的代碼。

static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {}
static class AppClassLoader extends URLClassLoader {}
  •  

能夠看見ExtClassLoader和AppClassLoader一樣繼承自URLClassLoader，但上面一小節代碼中，爲何調用AppClassLoader的getParent()代碼會獲得ExtClassLoader的實例呢？先從URLClassLoader提及，這個類又是什麼？ 
先上一張類的繼承關係圖 
這裏寫圖片描述

URLClassLoader的源碼中並無找到getParent()方法。這個方法在ClassLoader.java中。

public abstract class ClassLoader {

// The parent class loader for delegation
// Note: VM hardcoded the offset of this field, thus all new fields
// must be added *after* it.
private final ClassLoader parent;
// The class loader for the system
    // @GuardedBy("ClassLoader.class")
private static ClassLoader scl;

private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
    this.parent = parent;
    ...
}
protected ClassLoader(ClassLoader parent) {
    this(checkCreateClassLoader(), parent);
}
protected ClassLoader() {
    this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
}
public final ClassLoader getParent() {
    if (parent == null)
        return null;
    return parent;
}
public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
    initSystemClassLoader();
    if (scl == null) {
        return null;
    }
    return scl;
}

private static synchronized void initSystemClassLoader() {
    if (!sclSet) {
        if (scl != null)
            throw new IllegalStateException("recursive invocation");
        sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher();
        if (l != null) {
            Throwable oops = null;
            //經過Launcher獲取ClassLoader
            scl = l.getClassLoader();
            try {
                scl = AccessController.doPrivileged(
                    new SystemClassLoaderAction(scl));
            } catch (PrivilegedActionException pae) {
                oops = pae.getCause();
                if (oops instanceof InvocationTargetException) {
                    oops = oops.getCause();
                }
            }
            if (oops != null) {
                if (oops instanceof Error) {
                    throw (Error) oops;
                } else {
                    // wrap the exception
                    throw new Error(oops);
                }
            }
        }
        sclSet = true;
    }
}
}
  •  

咱們能夠看到getParent()實際上返回的就是一個ClassLoader對象parent，parent的賦值是在ClassLoader對象的構造方法中，它有兩個狀況： 
1. 由外部類建立ClassLoader時直接指定一個ClassLoader爲parent。 
2. 由getSystemClassLoader()方法生成，也就是在sun.misc.Laucher經過getClassLoader()獲取，也就是AppClassLoader。直白的說，一個ClassLoader建立時若是沒有指定parent，那麼它的parent默認就是AppClassLoader。

咱們主要研究的是ExtClassLoader與AppClassLoader的parent的來源，正好它們與Launcher類有關，咱們上面已經粘貼過Launcher的部分代碼。

public class Launcher {
    private static URLStreamHandlerFactory factory = new Factory();
    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 {
        //將ExtClassLoader對象實例傳遞進去
            loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create application class loader", e);
        }

public ClassLoader getClassLoader() {
        return loader;
    }
static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {

        /**
         * 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 {
                            //ExtClassLoader在這裏建立
                            return new ExtClassLoader(dirs);
                        }
                    });
            } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {
                throw (IOException) e.getException();
            }
        }


        /*
         * Creates a new ExtClassLoader for the specified directories.
         */
        public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
            super(getExtURLs(dirs), null, factory);

        }
        }
 }

咱們須要注意的是

ClassLoader extcl;

extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();

loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
  •  

代碼已經說明了問題AppClassLoader的parent是一個ExtClassLoader實例。

ExtClassLoader並無直接找到對parent的賦值。它調用了它的父類也就是URLClassLoder的構造方法並傳遞了3個參數。

public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
            super(getExtURLs(dirs), null, factory);   
}
  •  

對應的代碼

public  URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent,
                          URLStreamHandlerFactory factory) {
     super(parent);
}
  •  

答案已經很明瞭了，ExtClassLoader的parent爲null。

上面張貼這麼多代碼也是爲了說明AppClassLoader的parent是ExtClassLoader，ExtClassLoader的parent是null。這符合咱們以前編寫的測試代碼。

不過，細心的同窗發現，仍是有疑問的咱們只看到ExtClassLoader和AppClassLoader的建立，那麼BootstrapClassLoader呢？

還有，ExtClassLoader的父加載器爲null,可是Bootstrap CLassLoader卻能夠當成它的父加載器這又是爲什麼呢？

咱們繼續往下進行。

Bootstrap ClassLoader是由C++編寫的。

Bootstrap ClassLoader是由C/C++編寫的，它自己是虛擬機的一部分，因此它並非一個JAVA類，也就是沒法在java代碼中獲取它的引用，JVM啓動時經過Bootstrap類加載器加載rt.jar等核心jar包中的class文件，以前的int.class,String.class都是由它加載。而後呢，咱們前面已經分析了，JVM初始化sun.misc.Launcher並建立Extension ClassLoader和AppClassLoader實例。並將ExtClassLoader設置爲AppClassLoader的父加載器。Bootstrap沒有父加載器，可是它卻能夠做用一個ClassLoader的父加載器。好比ExtClassLoader。這也能夠解釋以前經過ExtClassLoader的getParent方法獲取爲Null的現象。具體是什麼緣由，很快就知道答案了。

雙親委託

雙親委託。 
咱們終於來到了這一步了。 
一個類加載器查找class和resource時，是經過「委託模式」進行的，它首先判斷這個class是否是已經加載成功，若是沒有的話它並非本身進行查找，而是先經過父加載器，而後遞歸下去，直到Bootstrap ClassLoader，若是Bootstrap classloader找到了，直接返回，若是沒有找到，則一級一級返回，最後到達自身去查找這些對象。這種機制就叫作雙親委託。 
整個流程能夠以下圖所示： 
這裏寫圖片描述 
這張圖是用時序圖畫出來的，不過畫出來的結果我卻本身都以爲不理想。

你們能夠看到2根箭頭，藍色的表明類加載器向上委託的方向，若是當前的類加載器沒有查詢到這個class對象已經加載就請求父加載器（不必定是父類）進行操做，而後以此類推。直到Bootstrap ClassLoader。若是Bootstrap ClassLoader也沒有加載過此class實例，那麼它就會從它指定的路徑中去查找，若是查找成功則返回，若是沒有查找成功則交給子類加載器，也就是ExtClassLoader,這樣相似操做直到終點，也就是我上圖中的紅色箭頭示例。 
用序列描述一下： 
1. 一個AppClassLoader查找資源時，先看看緩存是否有，緩存有從緩存中獲取，不然委託給父加載器。 
2. 遞歸，重複第1部的操做。 
3. 若是ExtClassLoader也沒有加載過，則由Bootstrap ClassLoader出面，它首先查找緩存，若是沒有找到的話，就去找本身的規定的路徑下，也就是sun.mic.boot.class下面的路徑。找到就返回，沒有找到，讓子加載器本身去找。 
4. Bootstrap ClassLoader若是沒有查找成功，則ExtClassLoader本身在java.ext.dirs路徑中去查找，查找成功就返回，查找不成功，再向下讓子加載器找。 
5. ExtClassLoader查找不成功，AppClassLoader就本身查找，在java.class.path路徑下查找。找到就返回。若是沒有找到就讓子類找，若是沒有子類會怎麼樣？拋出各類異常。

上面的序列，詳細說明了雙親委託的加載流程。咱們能夠發現委託是從下向上，而後具體查找過程倒是自上至下。

我說過上面用時序圖畫的讓本身不滿意，如今用框圖，最原始的方法再畫一次。 
這裏寫圖片描述

上面已經詳細介紹了加載過程，但具體爲何是這樣加載，咱們還須要瞭解幾個個重要的方法loadClass()、findLoadedClass()、findClass()、defineClass()。

重要方法

loadClass()

JDK文檔中是這樣寫的，經過指定的全限定類名加載class，它經過同名的loadClass(String,boolean)方法。

protected Class<?> loadClass(String name,
                             boolean resolve)
                      throws ClassNotFoundException
  •  

上面是方法原型，通常實現這個方法的步驟是 
1. 執行findLoadedClass(String)去檢測這個class是否是已經加載過了。 
2. 執行父加載器的loadClass方法。若是父加載器爲null，則jvm內置的加載器去替代，也就是Bootstrap ClassLoader。這也解釋了ExtClassLoader的parent爲null,但仍然說Bootstrap ClassLoader是它的父加載器。 
3. 若是向上委託父加載器沒有加載成功，則經過findClass(String)查找。

若是class在上面的步驟中找到了，參數resolve又是true的話，那麼loadClass()又會調用resolveClass(Class)這個方法來生成最終的Class對象。 咱們能夠從源代碼看出這個步驟。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先，檢測是否已經加載
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        //父加載器不爲空則調用父加載器的loadClass
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        //父加載器爲空則調用Bootstrap Classloader
                        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();
                    //父加載器沒有找到，則調用findclass
                    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) {
                //調用resolveClass()
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }
  •  

代碼解釋了雙親委託。

另外，要注意的是若是要編寫一個classLoader的子類，也就是自定義一個classloader，建議覆蓋findClass()方法，而不要直接改寫loadClass()方法。 
另外

if (parent != null) {
    //父加載器不爲空則調用父加載器的loadClass
    c = parent.loadClass(name, false);
} else {
    //父加載器爲空則調用Bootstrap Classloader
    c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
  •  

前面說過ExtClassLoader的parent爲null，因此它向上委託時，系統會爲它指定Bootstrap ClassLoader。

自定義ClassLoader

不知道你們有沒有發現，無論是Bootstrap ClassLoader仍是ExtClassLoader等，這些類加載器都只是加載指定的目錄下的jar包或者資源。若是在某種狀況下，咱們須要動態加載一些東西呢？好比從D盤某個文件夾加載一個class文件，或者從網絡上下載class主內容而後再進行加載，這樣能夠嗎？

若是要這樣作的話，須要咱們自定義一個classloader。

自定義步驟

  1. 編寫一個類繼承自ClassLoader抽象類。
  2. 複寫它的findClass()方法。
  3. 在findClass()方法中調用defineClass()。

defineClass()

這個方法在編寫自定義classloader的時候很是重要，它能將class二進制內容轉換成Class對象，若是不符合要求的會拋出各類異常。

注意點：

一個ClassLoader建立時若是沒有指定parent，那麼它的parent默認就是AppClassLoader。

上面說的是，若是自定義一個ClassLoader，默認的parent父加載器是AppClassLoader，由於這樣就可以保證它能訪問系統內置加載器加載成功的class文件。

自定義ClassLoader示例之DiskClassLoader。

假設咱們須要一個自定義的classloader,默認加載路徑爲D:\lib下的jar包和資源。

咱們寫編寫一個測試用的類文件，Test.java

Test.java

package com.frank.test;

public class Test {

    public void say(){
        System.out.println("Say Hello");
    }

}
  •  

而後將它編譯過年class文件Test.class放到D:\lib這個路徑下。

DiskClassLoader

咱們編寫DiskClassLoader的代碼。

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;


public class DiskClassLoader extends ClassLoader {

    private String mLibPath;

    public DiskClassLoader(String path) {
        // TODO Auto-generated constructor stub
        mLibPath = path;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // TODO Auto-generated method stub

        String fileName = getFileName(name);

        File file = new File(mLibPath,fileName);

        try {
            FileInputStream is = new FileInputStream(file);

            ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
            int len = 0;
            try {
                while ((len = is.read()) != -1) {
                    bos.write(len);
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            byte[] data = bos.toByteArray();
            is.close();
            bos.close();

            return defineClass(name,data,0,data.length);

        } catch (IOException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

        return super.findClass(name);
    }

    //獲取要加載 的class文件名
    private String getFileName(String name) {
        // TODO Auto-generated method stub
        int index = name.lastIndexOf('.');
        if(index == -1){ 
            return name+".class";
        }else{
            return name.substring(index)+".class";
        }
    }

}
  •  

咱們在findClass()方法中定義了查找class的方法，而後數據經過defineClass()生成了Class對象。

測試

如今咱們要編寫測試代碼。咱們知道若是調用一個Test對象的say方法，它會輸出」Say Hello」這條字符串。但如今是咱們把Test.class放置在應用工程全部的目錄以外，咱們須要加載它，而後執行它的方法。具體效果如何呢？咱們編寫的DiskClassLoader能不能順利完成任務呢？咱們拭目以待。

import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub

        //建立自定義classloader對象。
        DiskClassLoader diskLoader = new DiskClassLoader("D:\\lib");
        try {
            //加載class文件
            Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.Test");

            if(c != null){
                try {
                    Object obj = c.newInstance();
                    Method method = c.getDeclaredMethod("say",null);
                    //經過反射調用Test類的say方法
                    method.invoke(obj, null);
                } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                        | NoSuchMethodException
                        | SecurityException | 
                        IllegalArgumentException | 
                        InvocationTargetException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

    }

}
  •  

咱們點擊運行按鈕，結果顯示。

這裏寫圖片描述

能夠看到，Test類的say方法正確執行，也就是咱們寫的DiskClassLoader編寫成功。

回首

講了這麼大的篇幅，自定義ClassLoader才姍姍來遲。 不少同窗可能以爲前面有些囉嗦，但我按照本身的思路，我以爲仍是有必要的。由於我是圍繞一個關鍵字進行講解的。

關鍵字是什麼？

關鍵字 路徑

  • 從開篇的環境變量
  • 到3個主要的JDK自帶的類加載器
  • 到自定義的ClassLoader

它們的關聯部分就是路徑，也就是要加載的class或者是資源的路徑。 
BootStrap ClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader都是加載指定路徑下的jar包。若是咱們要突破這種限制，實現本身某些特殊的需求，咱們就得自定義ClassLoader，自已指定加載的路徑，能夠是磁盤、內存、網絡或者其它。

因此，你說路徑能不能成爲它們的關鍵字？

固然上面的只是我我的的見解，可能不正確，但現階段，這樣有利於本身的學習理解。

自定義ClassLoader還能作什麼？

突破了JDK系統內置加載路徑的限制以後，咱們就能夠編寫自定義ClassLoader，而後剩下的就叫給開發者你本身了。你能夠按照本身的意願進行業務的定製，將ClassLoader玩出花樣來。

玩出花之Class解密類加載器

常見的用法是將Class文件按照某種加密手段進行加密，而後按照規則編寫自定義的ClassLoader進行解密，這樣咱們就能夠在程序中加載特定了類，而且這個類只能被咱們自定義的加載器進行加載，提升了程序的安全性。

下面，咱們編寫代碼。

1.定義加密解密協議

加密和解密的協議有不少種，具體怎麼定看業務須要。在這裏，爲了便於演示，我簡單地將加密解密定義爲異或運算。當一個文件進行異或運算後，產生了加密文件，再進行一次異或後，就進行了解密。

2.編寫加密工具類

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;


public class FileUtils {

    public static void test(String path){
        File file = new File(path);
        try {
            FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream(path+"en");
            int b = 0;
            int b1 = 0;
            try {
                while((b = fis.read()) != -1){
                    //每個byte異或一個數字2
                    fos.write(b ^ 2);
                }
                fos.close();
                fis.close();
            } catch (IOException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }

}
  •  

咱們再寫測試代碼

FileUtils.test("D:\\lib\\Test.class");
  •  

這裏寫圖片描述 
而後能夠看見路徑D:\\lib\\Test.class下Test.class生成了Test.classen文件。

編寫自定義classloader，DeClassLoader

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;


public class DeClassLoader extends ClassLoader {

    private String mLibPath;

    public DeClassLoader(String path) {
        // TODO Auto-generated constructor stub
        mLibPath = path;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // TODO Auto-generated method stub

        String fileName = getFileName(name);

        File file = new File(mLibPath,fileName);

        try {
            FileInputStream is = new FileInputStream(file);

            ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
            int len = 0;
            byte b = 0;
            try {
                while ((len = is.read()) != -1) {
                    //將數據異或一個數字2進行解密
                    b = (byte) (len ^ 2);
                    bos.write(b);
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            byte[] data = bos.toByteArray();
            is.close();
            bos.close();

            return defineClass(name,data,0,data.length);

        } catch (IOException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

        return super.findClass(name);
    }

    //獲取要加載 的class文件名
    private String getFileName(String name) {
        // TODO Auto-generated method stub
        int index = name.lastIndexOf('.');
        if(index == -1){ 
            return name+".classen";
        }else{
            return name.substring(index+1)+".classen";
        }
    }

}

 

  •  

測試

咱們能夠在ClassLoaderTest.java中的main方法中以下編碼：

DeClassLoader diskLoader = new DeClassLoader("D:\\lib");
        try {
            //加載class文件
            Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.Test");

            if(c != null){
                try {
                    Object obj = c.newInstance();
                    Method method = c.getDeclaredMethod("say",null);
                    //經過反射調用Test類的say方法
                    method.invoke(obj, null);
                } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                        | NoSuchMethodException
                        | SecurityException | 
                        IllegalArgumentException | 
                        InvocationTargetException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
  •  

查看運行結果是：

這裏寫圖片描述

能夠看到了，一樣成功了。如今，咱們有兩個自定義的ClassLoader:DiskClassLoader和DeClassLoader，咱們能夠嘗試一下，看看DiskClassLoader能不能加載Test.classen文件也就是Test.class加密後的文件。

咱們首先移除D:\\lib\\Test.class文件，只剩下一下Test.classen文件，而後進行代碼的測試。

DeClassLoader diskLoader1 = new DeClassLoader("D:\\lib");
        try {
            //加載class文件
            Class c = diskLoader1.loadClass("com.frank.test.Test");

            if(c != null){
                try {
                    Object obj = c.newInstance();
                    Method method = c.getDeclaredMethod("say",null);
                    //經過反射調用Test類的say方法
                    method.invoke(obj, null);
                } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                        | NoSuchMethodException
                        | SecurityException | 
                        IllegalArgumentException | 
                        InvocationTargetException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

        DiskClassLoader diskLoader = new DiskClassLoader("D:\\lib");
        try {
            //加載class文件
            Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.Test");

            if(c != null){
                try {
                    Object obj = c.newInstance();
                    Method method = c.getDeclaredMethod("say",null);
                    //經過反射調用Test類的say方法
                    method.invoke(obj, null);
                } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                        | NoSuchMethodException
                        | SecurityException | 
                        IllegalArgumentException | 
                        InvocationTargetException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

    }

運行結果： 
這裏寫圖片描述

咱們能夠看到。DeClassLoader運行正常，而DiskClassLoader卻找不到Test.class的類,而且它也沒法加載Test.classen文件。

Context ClassLoader 線程上下文類加載器

前面講到過Bootstrap ClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader，如今又出來這麼一個類加載器，這是爲何？

前面三個之因此放在前面講，是由於它們是真實存在的類，並且聽從」雙親委託「的機制。而ContextClassLoader其實只是一個概念。

查看Thread.java源碼能夠發現

public class Thread implements Runnable {

/* The context ClassLoader for this thread */
   private ClassLoader contextClassLoader;

   public void setContextClassLoader(ClassLoader cl) {
       SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
       if (sm != null) {
           sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
       }
       contextClassLoader = cl;
   }

   public ClassLoader getContextClassLoader() {
       if (contextClassLoader == null)
           return null;
       SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
       if (sm != null) {
           ClassLoader.checkClassLoaderPermission(contextClassLoader,
                                                  Reflection.getCallerClass());
       }
       return contextClassLoader;
   }
}
  •  

contextClassLoader只是一個成員變量，經過setContextClassLoader()方法設置，經過getContextClassLoader()設置。

每一個Thread都有一個相關聯的ClassLoader，默認是AppClassLoader。而且子線程默認使用父線程的ClassLoader除非子線程特別設置。

咱們一樣能夠編寫代碼來加深理解。 
如今有2個SpeakTest.class文件，一個源碼是

package com.frank.test;

public class SpeakTest implements ISpeak {

    @Override
    public void speak() {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println("Test");
    }

}

它生成的SpeakTest.class文件放置在D:\\lib\\test目錄下。 
另外ISpeak.java代碼

package com.frank.test;

public interface ISpeak {
    public void speak();

}
  •  

而後，咱們在這裏還實現了一個SpeakTest.java

package com.frank.test;

public class SpeakTest implements ISpeak {

    @Override
    public void speak() {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println("I\' frank");
    }

}
  •  
  •  

它生成的SpeakTest.class文件放置在D:\\lib目錄下。

而後咱們還要編寫另一個ClassLoader，DiskClassLoader1.java這個ClassLoader的代碼和DiskClassLoader.java代碼一致，咱們要在DiskClassLoader1中加載位置於D:\\lib\\test中的SpeakTest.class文件。

測試代碼：

DiskClassLoader1 diskLoader1 = new DiskClassLoader1("D:\\lib\\test");
Class cls1 = null;
try {
//加載class文件
 cls1 = diskLoader1.loadClass("com.frank.test.SpeakTest");
System.out.println(cls1.getClassLoader().toString());
if(cls1 != null){
    try {
        Object obj = cls1.newInstance();
        //SpeakTest1 speak = (SpeakTest1) obj;
        //speak.speak();
        Method method = cls1.getDeclaredMethod("speak",null);
        //經過反射調用Test類的speak方法
        method.invoke(obj, null);
    } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
            | NoSuchMethodException
            | SecurityException | 
            IllegalArgumentException | 
            InvocationTargetException e) {
        // TODO Auto-generated catch block
        e.printStackTrace();
    }
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}

DiskClassLoader diskLoader = new DiskClassLoader("D:\\lib");
System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+" classloader: "+Thread.currentThread().getContextClassLoader().toString());
new Thread(new Runnable() {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+" classloader: "+Thread.currentThread().getContextClassLoader().toString());

        // TODO Auto-generated method stub
        try {
            //加載class文件
        //  Thread.currentThread().setContextClassLoader(diskLoader);
            //Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.SpeakTest");
            ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            Class c = cl.loadClass("com.frank.test.SpeakTest");
            // Class c = Class.forName("com.frank.test.SpeakTest");
            System.out.println(c.getClassLoader().toString());
            if(c != null){
                try {
                    Object obj = c.newInstance();
                    //SpeakTest1 speak = (SpeakTest1) obj;
                    //speak.speak();
                    Method method = c.getDeclaredMethod("speak",null);
                    //經過反射調用Test類的say方法
                    method.invoke(obj, null);
                } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                        | NoSuchMethodException
                        | SecurityException | 
                        IllegalArgumentException | 
                        InvocationTargetException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
}).start();
  •  

結果以下： 
這裏寫圖片描述

咱們能夠獲得以下的信息： 
1. DiskClassLoader1加載成功了SpeakTest.class文件並執行成功。 
2. 子線程的ContextClassLoader是AppClassLoader。 
3. AppClassLoader加載不了父線程當中已經加載的SpeakTest.class內容。

咱們修改一下代碼，在子線程開頭處加上這麼一句內容。

Thread.currentThread().setContextClassLoader(diskLoader1);
  •  

結果以下： 
這裏寫圖片描述

能夠看到子線程的ContextClassLoader變成了DiskClassLoader。

繼續改動代碼：

Thread.currentThread().setContextClassLoader(diskLoader);
  •  

結果： 
這裏寫圖片描述

能夠看到DiskClassLoader1和DiskClassLoader分別加載了本身路徑下的SpeakTest.class文件，而且它們的類名是同樣的com.frank.test.SpeakTest，可是執行結果不同，由於它們的實際內容不同。

Context ClassLoader的運用時機

其實這個我也不是很清楚，個人主業是Android，研究ClassLoader也是爲了更好的研究android。網上的答案說是適應那些Web服務框架軟件如Tomcat等。主要爲了加載不一樣的APP，由於加載器不同，同一份class文件加載後生成的類是不相等的。若是有同窗想多瞭解更多的細節，請自行查閱相關資料。

總結

  1. ClassLoader用來加載class文件的。
  2. 系統內置的ClassLoader經過雙親委託來加載指定路徑下的class和資源。
  3. 能夠自定義ClassLoader通常覆蓋findClass()方法。
  4. ContextClassLoader與線程相關，能夠獲取和設置，能夠繞過雙親委託的機制。

下一步

  1. 你能夠研究ClassLoader在Web容器內的應用了，如Tomcat。
  2. 能夠嘗試以這個爲基礎，繼續學習Android中的ClassLoader機制。

引用

我這篇文章寫了好幾天，修修改改，而後加上本身的理解。參考了下面的這些網站。 
1. grepcode ClassLoader源碼 
2. http://blog.csdn.net/xyang81/article/details/7292380 
3. http://blog.csdn.net/irelandken/article/details/7048817 
4. https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/net/URLClassLoader.html

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