Java ClassLoader分析

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什麼是ClassLoader

一個Java程序是由若干個class文件組成。當程序在運行時，即會調用該程序的一個入口函數來調用系統的相關功能，而這些功能都被封裝在不一樣的class文件當中，因此常常要從這個class文件中要調用另一個class文件中的方法，若是另一個class文件不存在的，則會引起ClassNotFoundException。

程序在啓動的時候，並不會一次性加載程序所要用的全部class文件，而是根據程序的須要，經過Java的類加載機制（ClassLoader）來動態加載某個class文件到內存當中的，從而只有class文件被載入到了內存以後，才能被其它class所引用。因此ClassLoader就是用來動態加載class文件到內存當中用的。

Java ClassLoader的體系結構

如今先看下ClassLoader的體系結構：

Bootstrap ClassLoader

BootStrap ClassLoader：稱爲啓動類加載器，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。

能夠經過以下程序得到該classloader所加載的jar

System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));
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程序輸出：

/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/classes
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若是是scala會在java的基礎上額外加載幾個jar。

scala> println(System.getProperty("sun.boot.class.path"))
/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/classes:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/akka-actor_2.11-2.3.10.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/config-1.2.1.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/jline-2.12.1.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-actors-2.11.0.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-actors-migration_2.11-1.1.0.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-compiler.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-continuations-library_2.11-1.0.2.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-continuations-plugin_2.11.7-1.0.2.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-library.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-parser-combinators_2.11-1.0.4.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-reflect.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-swing_2.11-1.0.2.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-xml_2.11-1.0.4.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scalap-2.11.7.jar
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Extension ClassLoader

Extension ClassLoader：稱爲擴展類加載器，負責加載Java的擴展類庫，默認加載JAVA_HOME/jre/lib/ext/目下的全部jar。該類在sun.misc.launcher包中。

App ClassLoader

App ClassLoader：稱爲應用類加載器，也稱爲System ClassLoaer，負責加載應用程序CLASSPATH下的全部jar和class文件。該類也在sun.misc.launcher包中。

User-Defined ClassLoader

用戶還能夠根據須要定義自已的ClassLoader，而這些自定義的ClassLoader都必須繼承自java.lang.ClassLoader類.

全部的ClassLoader都必須繼承自java.lang.ClassLoader，而Bootstrap ClassLoader卻不是。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啓動後，Bootstrap ClassLoader也隨着啓動，負責加載完核心類庫後，並構造Extension ClassLoader和App ClassLoader類加載器。

ClassLoader加載原理

ClassLoader使用的是雙親委託模型來搜索類的，每一個ClassLoader實例都**包含(而不是繼承)**一個父類加載器的引用。虛擬機內置的類加載器（Bootstrap ClassLoader）自己沒有父類加載器，但能夠用做其它ClassLoader實例的的父類加載器。

採用雙親委託機制加載類的時候採用以下的幾個步驟：

1. 當前ClassLoader首先從本身已經加載的類中查詢是否此類已經加載，若是已經加載則直接返回原來已經加載的類；
2. 當前classLoader的緩存中沒有找到被加載的類的時候，委託父類加載器去加載，父類加載器採用一樣的策略，首先查看本身的緩存，而後委託父類的父類去加載，一直到bootstrp ClassLoader.
3. 當全部的父類加載器都沒有加載的時候，再由當前的類加載器加載，並將其放入它本身的緩存中，以便下次有加載請求的時候直接返回。
4. 若是它們都沒有加載到這個類時，則拋出ClassNotFoundException異常。不然（找到），將爲這個類生成一個類的定義，並將它加載到內存當中，最後返回這個類在內存中的Class實例對象；

總之，class的加載順序爲：cache -> parent classloader -> self.

使用雙親委託模型的好處：

1. 避免重複加載。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。
2. 提升安全性。若是不使用這種委託模式，那咱們就能夠隨時使用自定義的String來動態替代java核心api中定義的類型，這樣會存在很是大的安全隱患，而雙親委託的方式，就能夠避免這種狀況，由於String已經在啓動時就被引導類加載器（Bootstrcp ClassLoader）加載，因此用戶自定義的ClassLoader永遠也沒法加載一個本身寫的String，除非你改變JDK中ClassLoader搜索類的默認算法。

在JVM在搜索類的時候，又是如何斷定兩個class是相同的呢？**JVM在斷定兩個class是否相同時，不只要判斷兩個類名是否相同，並且要判斷是否由同一個類加載器實例加載的。只有二者同時知足的狀況下，JVM才認爲這兩個class是相同的。**就算兩個class是同一份class字節碼，若是被兩個不一樣的ClassLoader實例所加載，JVM也會認爲它們是兩個不一樣class。好比有一個Java類SimpleClass.java，javac編譯以後生成字節碼文件SimpleClass.class，ClassLoaderA和ClassLoaderB這兩個類加載器並讀取了SimpleClass.class文件，並分別定義出了java.lang.Class實例來表示這個類，對於JVM來講，它們是兩個不一樣的實例對象，但它們確實是同一份字節碼文件，若是試圖將這個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，提示這是兩個不一樣的類型。

如何自定義ClassLoader

什麼時候須要本身定製ClassLoader？

1. 須要加載外部的class而這些class，默認的類加載器是加載不到的。例如，文件系統比較特殊或者須要從網絡中加載一個class字節流等。
2. 須要實現class的隔離性。經常使用的web服務器，如weblogic、tomcat、jetty等都實現這樣的類加載器。這些類加載器主要作到： 1）實現加載Web應用指定目錄下的jar和class。 2）實現部署在容器中的Web應用程共同使用的類庫的共享。 3）實現部署在容器中各個Web應用程序本身私有類庫的相互隔離。

如何自定義ClassLoader

1. 繼承java.lang.ClassLoader
2. 覆蓋findClass()方法

下面是一個自定義ClassLoader的例子：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        Class clazz = this.findLoadedClass(name);  // optional
        if (clazz == null) {
            byte[] classData = loadClassData(name);
            if (classData == null) {
                throw new ClassNotFoundException();
            }
            clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
        return clazz;
    }

    private byte[] loadClassData(String name) {
        // TODO: load class data.
        return null;
    }
}
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