JavaClassLoader原理详细分析

1、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cla

2、ss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ClassLoader1.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：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/jdk1.6.0_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.b

5、oot.class.path");打印结果：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：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。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

7、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。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ClassLoade

8、r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

9、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St

10、ring已经在启动时就被引导类加载器（Bootstrap 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。

11、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

12、两个不同的类型。现在通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.classload

13、er.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 = &

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(); 首先获得网络上一个class文件的二进制名称，然后通过自定义的类加载器NetworkClassLoader创建两

16、个实例，并根据网络地址分别加载这份class，并得到这两个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，再通过反射调用clazz1中的setNetClassLoaderSimple方法。3）、查看测试结果结论：从结果中可以看出，虽然是同一份class字节码文件，但是由于被两个不同的ClassLoader实例所加载，所以JVM认为它们就是两个不同的类。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：C

17、lassLoader 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：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ExtClassLoa

18、der，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。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：打印结果分析：

19、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Bootstrap 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ClassL

20、oaderTest.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。测试3：用Bootstrap ClassLoader来加载ClassLoaderTest.class，有两种方式：1、在jvm中添加-Xbootclasspath参数，指定Bootstrap ClassLoader加载类的路径，并追加我们自已的jar（Clas

21、sTestLoader.jar）2、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，重新运行程序，产的结果如下所示：（类加载的过程，只摘下了一部份）打印结果：Loaded java.io.FileReader from C:Program 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 /这是打印的结果 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 /这一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path");打印出来的。这个路径就是Bootstrap ClassLoader默认搜索类的路径 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：将ClassLoaderTest.jar解压后，放到JAVA_HOME/jre/classes目录下，如下图所示：提示：jre目录下默认没有classes目录，需要自己手动创建一个打印结果：从结果中可以看出，两种方式都实现了将ClassLoaderTest.class由Bootstrap ClassLoader加载成功了。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

33、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.ClassLoader2、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

34、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 .URL; /* * 加载网络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); / 若该类已加载则返回其实例，否则返回NULL

36、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) 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" 测试类：package classloader; public cla

39、ss 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:/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(); 打印结果：下图是我机器上web服务器的目录结构：目前常用web服务器中都定义了自己的类加载器，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，展示该web容器都定义了哪些个类加载器：1、新建一个web工程httpweb2、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; impor