java 类加载器

类加载器说明

类加载器负责将.class文件加载到内存中，并为类生成一个java.lang.Class实例。

一旦一个类被加载入JVM中，同一个类就不会被再次加入了。在JVM中用来判断类的唯一性标识是：类名、类所在的包名和类加载器。

当JVM启动时，会形成由三个类加载器组成的初始类加载器层次结构：

• BootStrap ClassLoader：根类加载器；
• Extension ClassLoader：扩展类加载器；
• System ClassLoader：系统类加载器。

根类加载器，负责加载java的核心类（即JAVA_HOME/jre/lib下的jar包）。当使用-Xbootclasspath选项或使用-D选项指定sun.boot.class.path系统属性也可以指定加载附加的类。根类加载器比较特殊，他并不是java.lang.ClassLoader的子类，而是由JVM自身实现的。

扩展类加载器，负责加载JRE的扩展目录（即JAVA_HOME/jre/lib/ext目录）下的jar包。

系统类加载器，负责在JVM启动时，加载来自命令java中的-classpath选项或java.class.path系统属性，或CLASSPATH环境变量所指定的jar包和类路径，或者是当前类路径。程序可以通过ClassLoader的静态方法getSystemClassLoader()方法获取系统类加载器。

除了Java提供的这三种类加载器，开发者也可以实现自己的类加载器，自定义的类加载器通过继承ClassLoader来实现。

JVM中这四种类加载器的层次结构如图：

如图所示：根类加载器是扩展类加载器的父类加载器；扩展类加载器是系统类加载器的父类加载器；如果没有特别指定，用户自定义的类加载器都以系统类加载器作为父加载器。

需要提下，类加载器之间的父子关系并不是类继承上的父子关系，而是类加载器实例之间的关系。

类加载机制

JVM的类加载机制主要有如下三种机制：

• 全盘负责：全盘负责机制是说当一个类加载器负责加载某个类的时候，该类所依赖的和引用的其他类也将由该类加载器负责载入，除非显式使用另一个类加载器来载入；
• 父类委托：父类委托机制是说当一个类加载器负责加载某个类的时候，先让父类加载器尝试载入该类，若无法载入，才尝试从自己的类路径中载入；
• 缓存机制：缓存机制会保证所有被加载过的类都会被缓存。当一个类加载器负责加载某个类的时候，会先从缓存中搜寻该类，只有当缓存中不存在该类对象时，才会载入该类并存放于缓存中。这也是为什么我们修改了某个类以后需要重启动JVM，所做的调整才会生效的原因。

类加载器加载类大致要经过8个步骤：

1. 检测目标类是否有载入过（即在缓存中是否有这个类），如果有，则直接进入第八步；
2. 如果父加载器不存在（父加载器不存在有两种情形，一是当前加载器的parent是根加载器，二是当前加载器就是根加载器），则跳到第四步执行；如果父加载器存在，则执行第三步；
3. 请求父加载器载入目标类，如果成功跳到第八步，不成功则跳到第五步；
4. 请求使用根加载器加载目标类，如果成功跳到第八步，不成功则跳到第七步；
5. 寻找.class文件（从相关的类加载器的加载路径中查找），如果找到则执行第六部，找不到则执行第七步；
6. 从文件中载入类，成功载入则跳到第八步；
7. 抛出ClassNotFoundException；
8. 返回类。

自定义类加载器

JVM中除了根类加载器之外的类加载器都是ClassLoader的子类的实例。开发者可以通过继承ClassLoader，并重写ClassLoader的方法来实现自定义类加载器。

ClassLoader类有三个关键方法：

• loadClass(String name, boolean resolve)：该方法为ClassLoader的入口点，根据指定的二进制名称来加载类；
• findClass(String name)：根据指定的二进制名称来查找类；
• defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)：将指定类的字节码文件（即.class文件）读入字节数组byte[] b内，并把它转为Class对象，该字节码文件可以来源于网络或磁盘。

要实现自定义的ClassLoader，可以通过重写loadClass或findClass来实现。不过一般推荐重写findClass，而不是loadClass，看一下loadClass的执行步骤：

• 用findLoadClass来检查是否已经加载类，如果已经加载则直接返回；
• 在父类加载器上调用loadClass方法。如果父类加载器为null，则使用根类加载器来加载；
• 调用findClass方法来查找类。

从上面看来，采用重写findClass的方法可以避免覆盖默认类加载器的父类委托和缓存机制两种策略。

以下是一个自定类加载器的实例：

package com.zhyea.test;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.lang.reflect.Method;

/**
 * 自定义类加载器实例
 * @author robin
 *
 */
public class MyClassLoader extends ClassLoader {

    /**
     * 读取类文件
     * 
     * @param filePath
     *            类文件路径
     * @return
     * @throws IOException
     */
    private byte[] getBytes(String filePath) throws IOException {
        InputStream in = null;
        try {
            File file = new File(filePath);
            long length = file.length();
            in = new FileInputStream(file);
            byte[] buffer = new byte[(int) length];
            int hasRead = in.read(buffer);
            if (hasRead != length) {
                throw new IOException("无法读取全部文件：" + hasRead + "!=" + length);
            }
            return buffer;
        } finally {
            if (null != in)
                in.close();
        }
    }

    /**
     * 编译Java文件
     * 
     * @param javaFile
     *            Java文件
     * @return
     * @throws IOException
     * @throws InterruptedException
     */
    private boolean compile(String javaFile) throws IOException,
            InterruptedException {
        // 调用系统javac命令
        Process p = Runtime.getRuntime().exec("javac " + javaFile);
        // 强制其他线程等待这个线程完成
        p.waitFor();
        // 获取javac线程的退出值
        int rtn = p.exitValue();
        // 返回编译是否成功
        return rtn == 0;
    }
    
    
    /**
     * 重写ClassLoader的findClass类
     */
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException{
        
        Class<?> clazz = null;
        
        String javaPath = name.replace(".", "/");
        String javaFileName = javaPath + ".java";
        String classFileName = javaPath = ".class";
        
        File javaFile = new File(javaFileName);
        File classFile = new File(classFileName);
        
        if(javaFile.exists() && (!classFile.exists() || javaFile.lastModified()>classFile.lastModified())){
            try{
                if(!compile(javaFileName) || !classFile.exists()){
                    throw new ClassNotFoundException("Class not found : " + javaFileName);
                }
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
        
        if(classFile.exists()){
            try{
                byte[] raw = getBytes(classFileName);
                clazz = defineClass(name, raw, 0, raw.length);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
        
        if(null==clazz){
            throw new ClassNotFoundException(name);
        }
        
        return clazz;
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        String javaName = "com.zhyea.test.MyTest";
        MyClassLoader mcl = new MyClassLoader();
        Class<?> clazz = mcl.loadClass(javaName);
        Method main = clazz.getMethod("main", (new String[0]).getClass());
        Object[] arrs = {args}; 
        main.invoke(null, arrs);
    }
    
}

再附上演示用的测试类，其实很简单了：

package com.zhyea.test;

/**
 * 自定义类加载器演示用的测试类
 * @author robin
 *
 */
public class MyTest {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("This is a Test!");
    }

}

使用自定义的类加载器，可以实现如下功能：

• 执行代码前自动检验数字签名;
• 根据用户提供的密码解密代码，从而可以实现代码混淆器避免反编译class文件；
• 根据用户需求来动态地加载类；
• 根据应用需求把其他数据以字节码的形式加载到应用中。

URLClassLoader类

URLClassLoader是扩展类加载器类和系统类加载器类的父类。URLClassLoader功能比较强大，可以从本地获取java文件来加载类，也可获取远程文件来加载类。

演示下：

package com.zhyea.test;

import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;

public class UCLTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        URL[] urls = {new URL("file:com.zhyea.test.MyTest.java")};
        URLClassLoader ucl = new URLClassLoader(urls);
        MyTest mt = (MyTest) ucl.loadClass("com.zhyea.test.MyTest").newInstance();
        mt.test();
        ucl.close();
    }
}


package com.zhyea.test;

/**
 * URLClassLoader演示用的测试类
 * @author robin
 *
 */
public class MyTest {
    public void test(){
        System.out.println("This is a Test 2!");
    }
}