Java ClassLoader原理

一、什么是ClassLoader

　　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class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ClassLoader

　　1、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：

URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
   System.out.println(urls[i].toExternalForm());
}

　　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.jar
file: /C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/rt.jar
file: /C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/sunrsasign.jar
file: /C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jsse.jar
file: /C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jce.jar
file: /C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/charsets.jar
file: /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.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

　　

　　2、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）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String已经在启动时就被引导类加载器（Bootstrcp 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。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，提示这是两个不同的类型。

4、ClassLoader的体系架构：

 

 

 　　打印ClassLoader类的层次结构，请看下面这段代码：

public static void main(String[] args){
        ClassLoader 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：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@b1bc7ed
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1e80bfe8
null

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，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。

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.ClassLoader

2、重写父类的findClass方法

示例：自定义一个NetworkClassLoader，用于加载网络上的class文件

package com.shibaobei.www.test;

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.URL;

/**
 * Created by Administrator on 2020/6/22 0022.
 */
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,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) {
        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";
    }
}