什么是ClassLoader

时间 2019-11-20

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什么是ClassLoader?

你们都知道，当咱们写好一个Java程序以后，不是管是CS仍是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一样的class文件当中，因此常常要从这个class文件中要调用另一个class文件中的方法，若是另一个文件不存在的，则会引起系统异常。而程序在启动的时候，并不会一次性加载程序所要用的全部class文件，而是根据程序的须要，经过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以后，才能被其它class所引用。因此ClassLoader就是用来动态加载class文件到内存当中用的。php

2、Java默认提供的三个ClassLoader

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，可经过以下程序得到该类加载器从哪些地方加载了相关的jar或class文件：
1. URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
2. for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
3. System. out.println(urls[i].toExternalForm());
4. }
如下内容是上述程序从本机JDK环境所得到的结果：css

file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/resources.jarhtml

file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/rt.jarjava

file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/sunrsasign.jarweb

file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jsse.jar算法

file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jce.jarbootstrap

file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/charsets.jarapi

file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/classes/数组

其实上述结果也是经过查找sun.boot.class.path这个系统属性所得知的。tomcat
```
System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));
```
打印结果：C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes
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/目下的全部jar。
App ClassLoader：称为系统类加载器，负责加载应用程序classpath目录下的全部jar和class文件。

注意：除了Java默认提供的三个ClassLoader以外，用户还能够根据须要定义自已的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，可是Bootstrap ClassLoader不继承自ClassLoader，由于它不是一个普通的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。

3、ClassLoader加载类的原理

一、原理介绍

ClassLoader使用的是双亲委托模型来搜索类的，每一个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）自己没有父类加载器，但能够用做其它ClassLoader实例的的父类加载器。当一个ClassLoader实例须要加载某个类时，它会试图亲自搜索某个类以前，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，若是没加载到，则把任务转交给Extension ClassLoader试图加载，若是也没加载到，则转交给App ClassLoader 进行加载，若是它也没有加载获得的话，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。若是它们都没有加载到这个类时，则抛出ClassNotFoundException异常。不然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。

二、为何要使用双亲委托这种模型呢？

由于这样能够避免重复加载，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，咱们试想一下，若是不使用这种委托模式，那咱们就能够随时使用自定义的String来动态替代java核心api中定义的类型，这样会存在很是大的安全隐患，而双亲委托的方式，就能够避免这种状况，由于String已经在启动时就被引导类加载器（Bootstrcp ClassLoader）加载，因此用户自定义的ClassLoader永远也没法加载一个本身写的String，除非你改变JDK中ClassLoader搜索类的默认算法。

三、可是JVM在搜索类的时候，又是如何断定两个class是相同的呢？

JVM在断定两个class是否相同时，不只要判断两个类名是否相同，并且要判断是否由同一个类加载器实例加载的。只有二者同时知足的状况下，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，若是被两个不一样的ClassLoader实例所加载，JVM也会认为它们是两个不一样class。好比网络上的一个Java类org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple，javac编译以后生成字节码文件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来讲，它们是两个不一样的实例对象，但它们确实是同一份字节码文件，若是试图将这个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，提示这是两个不一样的类型。如今经过实例来验证上述所描述的是否正确：

1）、在web服务器上建一个org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple.java类

package org.classloader.simple;
public class NetClassLoaderSimple {
private NetClassLoaderSimple instance;
public void setNetClassLoaderSimple(Object obj) {
this.instance = (NetClassLoaderSimple)obj;
}
}

org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple类的setNetClassLoaderSimple方法接收一个Object类型参数，并将它强制转换成org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple类型。

2）、测试两个class是否相同（NetWorkClassLoader.java）

package classloader;
public class NewworkClassLoaderTest {
public static void main(String[] args) {
try {
//测试加载网络中的class文件
String rootUrl = "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<?> 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();
}
}
}

首先得到网络上一个class文件的二进制名称，而后经过自定义的类加载器NetworkClassLoader建立两个实例，并根据网络地址分别加载这份class，并获得这两个ClassLoader实例加载后生成的Class实例clazz1和clazz2，最后将这两个Class实例分别生成具体的实例对象obj1和obj2，再经过反射调用clazz1中的setNetClassLoaderSimple方法。

3）、查看测试结果

结论：从结果中能够看出，虽然是同一份class字节码文件，可是因为被两个不一样的ClassLoader实例所加载，因此JVM认为它们就是两个不一样的类。

四、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(); //得到加载ClassLoaderTest.class这个类的类加载器
while(loader != null) {
System.out.println(loader);
loader = loader.getParent(); //得到父类加载器的引用
}
System.out.println(loader);

打印结果：

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，由于Bootstrap ClassLoader不是一个普通的Java类，因此ExtClassLoader的parent=null，因此第三行的打印结果为null就是这个缘由。

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），而后从新运行这个程序，获得的结果会是什么样呢？

打印结果：

打印结果分析：

为何第一行的结果是ExtClassLoader呢？

由于ClassLoader的委托模型机制，当咱们要用ClassLoaderTest.class这个类的时候，AppClassLoader在试图加载以前，先委托给Bootstrcp ClassLoader，Bootstracp ClassLoader发现本身没找到，它就告诉ExtClassLoader，兄弟，我这里没有这个类，你去加载看看，而后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，它发如今ClassLoaderTest.jar这样一个文件中包含ClassLoaderTest.class这样的一个文件，而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。因此ClassLoaderTest.class的类加载器是ExtClassLoader。

第二行的结果为null，是由于ExtClassLoader的父类加载器是Bootstrap ClassLoader。

测试3：用Bootstrcp ClassLoader来加载ClassLoaderTest.class，有两种方式：

一、在jvm中添加-Xbootclasspath参数，指定Bootstrcp ClassLoader加载类的路径，并追加咱们自已的jar（ClassTestLoader.jar）

二、将class文件放到JAVA_HOME/jre/classes/目录下（上面有提到）

方式1：（我用的是Eclipse开发工具，用命令行是在java命令后面添加-Xbootclasspath参数）

打开Run配置对话框：

配置好如图中所述的参数后，从新运行程序，产的结果以下所示：（类加载的过程，只摘下了一部份）

打印结果：

[Loaded java.io.FileReader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.nio.cs.StreamDecoder from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.ArrayList from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.reflect.Array from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.Locale from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$Node from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.CharacterDataLatin1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.io.ObjectStreamClass from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.net.www.ParseUtil from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.BitSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.net.Parts from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.net.URLStreamHandler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.net.www.protocol.file.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.HashSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.net.www.protocol.jar.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader$ 1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Path C:\Program Files\Java\jdk1 .6.0_22\jre\classes]
[Loaded classloader.ClassLoaderTest from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]
null //这是打印的结果
C:\Program Files\Java\jdk1 .6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1 .6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1 .6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1 .6.0_22\jre\classes;c:\ClassLoaderTest.jar
//这一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));打印出来的。这个路径就是Bootstrcp ClassLoader默认搜索类的路径
[Loaded java.lang.Shutdown from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]

方式2：将ClassLoaderTest.jar解压后，放到JAVA_HOME/jre/classes目录下，以下图所示：

提示：jre目录下默认没有classes目录，须要本身手动建立一个

打印结果：

从结果中能够看出，两种方式都实现了将ClassLoaderTest.class由Bootstrcp ClassLoader加载成功了。

4、定义自已的ClassLoader

既然JVM已经提供了默认的类加载器，为何还要定义自已的类加载器呢？

由于Java中提供的默认ClassLoader，只加载指定目录下的jar和class，若是咱们想加载其它位置的类或jar时，好比：我要加载网络上的一个class文件，经过动态加载到内存以后，要调用这个类中的方法实现个人业务逻辑。在这样的状况下，默认的ClassLoader就不能知足咱们的需求了，因此须要定义本身的ClassLoader。

定义自已的类加载器分为两步：

一、继承java.lang.ClassLoader

二、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，为何恰恰只重写findClass方法？

由于JDK已经在loadClass方法中帮咱们实现了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，因此咱们只需重写该方法便可。如没有特殊的要求，通常不建议重写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,得到该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(); //得到ClassLoaderTest这个类的类加载器
while(loader != null) {
System.out.println(loader);
loader = loader.getParent(); //得到父加载器的引用
}
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：

下图是我机器上web服务器的目录结构：

目前经常使用web服务器中都定义了本身的类加载器，用于加载web应用指定目录下的类库（jar或class），如：Weblogic、Jboss、tomcat等，下面我以Tomcat为例，展现该web容器都定义了哪些个类加载器：

一、新建一个web工程httpweb

二、新建一个ClassLoaderServletTest，用于打印web容器中的ClassLoader层次结构

import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;
import javax.servlet.ServletException;
import javax.servlet.http.HttpServlet;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
public class ClassLoaderServletTest extends HttpServlet {
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
throws ServletException, IOException {
response.setContentType( "text/html");
PrintWriter out = response.getWriter();
ClassLoader loader = this.getClass().getClassLoader();
while(loader != null) {
out.write(loader.getClass().getName()+ "<br/>");
loader = loader.getParent();
}
out.write(String.valueOf(loader));
out.flush();
out.close();
}
public void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
throws ServletException, IOException {
this.doGet(request, response);
}
}

三、配置Servlet，并启动服务

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<web-app version="2.4"
xmlns="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee"
xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
xsi:schemaLocation="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee
http://java.sun.com/xml/ns/j2ee/web-app_2_4.xsd">
<servlet>
<servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>
<servlet-class>ClassLoaderServletTest</servlet-class>
</servlet>
<servlet-mapping>
<servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>
<url-pattern>/servlet/ClassLoaderServletTest</url-pattern>
</servlet-mapping>
<welcome-file-list>
<welcome-file>index.jsp</welcome-file>
</welcome-file-list>
</web-app>

四、访问Servlet，得到显示结果

什么是ClassLoader