java中的ClassLoader详解

【转】一看你就懂，超详细java中的ClassLoader详解

 

 

http://blog.csdn.net/briblue/article/details/54973413

ClassLoader翻译过来就是类加载器，普通的java开发者其实用到的不多，但对于某些框架开发者来说却非常常见。

理解ClassLoader的加载机制，也有利于我们编写出更高效的代码。ClassLoader的具体作用就是将class文件加载到jvm虚拟机中去，程序就可以正确运行了。

但是，jvm启动的时候，并不会一次性加载所有的class文件，而是根据需要去动态加载。

想想也是的，一次性加载那么多jar包那么多class，那内存不崩溃。本文的目的也是学习ClassLoader这种加载机制。

Class文件的认识

我们都知道在Java中程序是运行在虚拟机中，我们平常用文本编辑器或者是IDE编写的程序都是.java格式的文件，这是最基础的源码，但这类文件是不能直接运行的。

如我们编写一个简单的程序HelloWorld.java

public class HelloWorld{

    public static void main(String[] args){
        System.out.println("Hello world!");
    }
}

如图：

然后，我们需要在命令行中进行java文件的编译

javac HelloWorld.java

可以看到目录下生成了.class文件

我们再从命令行中执行命令：

java HelloWorld

上面是基本代码示例，是所有入门JAVA语言时都学过的东西，这里重新拿出来是想让大家将焦点回到class文件上，class文件是字节码格式文件，

java虚拟机并不能直接识别我们平常编写的.java源文件，所以需要javac这个命令转换成.class文件。

另外，如果用C或者PYTHON编写的程序正确转换成.class文件后，java虚拟机也是可以识别运行的。更多信息大家可以参考这篇。  

了解了.class文件后，我们再来思考下，我们平常在Eclipse中编写的java程序是如何运行的，也就是我们自己编写的各种类是如何被加载到jvm(java虚拟机)中去的。

 

你还记得java环境变量吗？

初学java的时候，最害怕的就是下载JDK后要配置环境变量了，关键是当时不理解，所以战战兢兢地照着书籍上或者是网络上的介绍进行操作。

然后下次再弄的时候，又忘记了而且是必忘。当时，心里的想法很气愤的，想着是–这东西一点也不人性化，为什么非要自己配置环境变量呢？

太不照顾菜鸟和新手了，很多菜鸟就是因为卡在环境变量的配置上，遭受了太多的挫败感。

因为我是在Windows下编程的，所以只讲Window平台上的环境变量，主要有3个：JAVA_HOME、PATH、CLASSPATH。

JAVA_HOME

指的是你JDK安装的位置，一般默认安装在C盘，如

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_91

PATH

将程序路径包含在PATH当中后，在命令行窗口就可以直接键入它的名字了，而不再需要键入它的全路径,比如上面代码中我用的到javac和java两个命令。 

一般的

PATH=%JAVA_HOME%\bin;%JAVA_HOME%\jre\bin;%PATH%;

也就是在原来的PATH路径上添加JDK目录下的bin目录和jre目录的bin.

CLASSPATH

CLASSPATH=.;%JAVA_HOME%\lib;%JAVA_HOME%\lib\tools.jar

一看就是指向jar包路径。
需要注意的是前面的.;，.代表当前目录。  

环境变量的设置与查看

设置可以右击我的电脑，然后点击属性，再点击高级，然后点击环境变量，具体不明白的自行查阅文档。

查看的话可以打开命令行窗口

echo %JAVA_HOME%

echo %PATH%

echo %CLASSPATH%

好了，扯远了，知道了环境变量，特别是CLASSPATH时，我们进入今天的主题Classloader.

JAVA类加载流程

Java语言系统自带有三个类加载器:
- Bootstrap ClassLoader 最顶层的加载类，主要加载核心类库，%JRE_HOME%\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar和class等。

另外需要注意的是可以通过启动jvm时指定-Xbootclasspath和路径来改变Bootstrap ClassLoader的加载目录。

比如java -Xbootclasspath/a:path被指定的文件追加到默认的bootstrap路径中。

我们可以打开我的电脑，在上面的目录下查看，看看这些jar包是不是存在于这个目录。
- Extention ClassLoader 扩展的类加载器，加载目录%JRE_HOME%\lib\ext目录下的jar包和class文件。还可以加载-D java.ext.dirs选项指定的目录。
- Appclass Loader也称为SystemAppClass 加载当前应用的classpath的所有类。

我们上面简单介绍了3个ClassLoader。说明了它们加载的路径。并且还提到了-Xbootclasspath和-D java.ext.dirs这两个虚拟机参数选项。    

加载顺序？

我们看到了系统的3个类加载器，但我们可能不知道具体哪个先行呢？
我可以先告诉你答案
1. Bootstrap CLassloder
2. Extention ClassLoader
3. AppClassLoader

为了更好的理解，我们可以查看源码。
看sun.misc.Launcher,它是一个java虚拟机的入口应用。  

public class Launcher {
    private static Launcher launcher = new Launcher();
    private static String bootClassPath =
        System.getProperty("sun.boot.class.path");

    public static Launcher getLauncher() {
        return launcher;
    }

    private ClassLoader loader;

    public Launcher() {
        // Create the extension class loader
        ClassLoader extcl;
        try {
            extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create extension class loader", e);
        }

        // Now create the class loader to use to launch the application
        try {
            loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create application class loader", e);
        }

        //设置AppClassLoader为线程上下文类加载器，这个文章后面部分讲解
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
    }

    /*
     * Returns the class loader used to launch the main application.
     */
    public ClassLoader getClassLoader() {
        return loader;
    }
    /*
     * The class loader used for loading installed extensions.
     */
    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {}

/**
     * The class loader used for loading from java.class.path.
     * runs in a restricted security context.
     */
    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {}

源码有精简，我们可以得到相关的信息。
1. Launcher初始化了ExtClassLoader和AppClassLoader。
2. Launcher中并没有看见BootstrapClassLoader，但通过System.getProperty("sun.boot.class.path")得到了字符串bootClassPath,这个应该就是BootstrapClassLoader加载的jar包路径。

我们可以先代码测试一下sun.boot.class.path是什么内容。 

System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));

得到的结果是：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\resources.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\rt.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\sunrsasign.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jsse.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jce.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\charsets.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jfr.jar;
C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\classes

可以看到，这些全是JRE目录下的jar包或者是class文件。

ExtClassLoader源码

如果你有足够的好奇心，你应该会对它的源码感兴趣

/*
     * The class loader used for loading installed extensions.
     */
    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {

        static {
            ClassLoader.registerAsParallelCapable();
        }

        /**
         * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created
         * within a context that limits which files it can read
         */
        public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException
        {
            final File[] dirs = getExtDirs();

            try {
                // Prior implementations of this doPrivileged() block supplied
                // aa synthesized ACC via a call to the private method
                // ExtClassLoader.getContext().

                return AccessController.doPrivileged(
                    new PrivilegedExceptionAction<ExtClassLoader>() {
                        public ExtClassLoader run() throws IOException {
                            int len = dirs.length;
                            for (int i = 0; i < len; i++) {
                                MetaIndex.registerDirectory(dirs[i]);
                            }
                            return new ExtClassLoader(dirs);
                        }
                    });
            } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {
                throw (IOException) e.getException();
            }
        }

        private static File[] getExtDirs() {
            String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
            File[] dirs;
            if (s != null) {
                StringTokenizer st =
                    new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
                int count = st.countTokens();
                dirs = new File[count];
                for (int i = 0; i < count; i++) {
                    dirs[i] = new File(st.nextToken());
                }
            } else {
                dirs = new File[0];
            }
            return dirs;
        }

......
    }

我们先前的内容有说过，可以指定-D java.ext.dirs参数来添加和改变ExtClassLoader的加载路径。这里我们通过可以编写测试代码。  

System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));

结果如下：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

AppClassLoader源码

/**
     * The class loader used for loading from java.class.path.
     * runs in a restricted security context.
     */
    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {


        public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader extcl)
            throws IOException
        {
            final String s = System.getProperty("java.class.path");
            final File[] path = (s == null) ? new File[0] : getClassPath(s);


            return AccessController.doPrivileged(
                new PrivilegedAction<AppClassLoader>() {
                    public AppClassLoader run() {
                    URL[] urls =
                        (s == null) ? new URL[0] : pathToURLs(path);
                    return new AppClassLoader(urls, extcl);
                }
            });
        }

        ......
    }

可以看到AppClassLoader加载的就是java.class.path下的路径。我们同样打印它的值。  

System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));

结果：

D:\workspace\ClassLoaderDemo\bin

这个路径其实就是当前java工程目录bin，里面存放的是编译生成的class文件。

好了，自此我们已经知道了BootstrapClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader实际是查阅相应的环境属性sun.boot.class.path、java.ext.dirs和java.class.path来加载资源文件的。

接下来我们探讨它们的加载顺序，我们先用Eclipse建立一个java工程。

然后创建一个Test.java文件。

public class Test{}

然后，编写一个ClassLoaderTest.java文件。

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub

        ClassLoader cl = Test.class.getClassLoader();

        System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());

    }

}

我们获取到了Test.class文件的类加载器，然后打印出来。结果是：

ClassLoader is:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93  

也就是说明Test.class文件是由AppClassLoader加载的。

这个Test类是我们自己编写的，那么int.class或者是String.class的加载是由谁完成的呢？
我们可以在代码中尝试  

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub

        ClassLoader cl = Test.class.getClassLoader();

        System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());

        cl = int.class.getClassLoader();

        System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());

    }

}

运行一下，却报错了

ClassLoader is:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
    at ClassLoaderTest.main(ClassLoaderTest.java:15)

提示的是空指针，意思是int.class这类基础类没有类加载器加载？

当然不是！
int.class是由Bootstrap ClassLoader加载的。要想弄明白这些，我们首先得知道一个前提。  

每个类加载器都有一个父加载器

每个类加载器都有一个父加载器，比如加载Test.class是由AppClassLoader完成，那么AppClassLoader也有一个父加载器，怎么样获取呢？很简单，通过getParent方法。比如代码可以这样编写：

ClassLoader cl = Test.class.getClassLoader();

System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());
System.out.println("ClassLoader\'s parent is:"+cl.getParent().toString());

运行结果如下：

ClassLoader is:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93
ClassLoader's parent is:sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@15db9742

这个说明，AppClassLoader的父加载器是ExtClassLoader。那么ExtClassLoader的父加载器又是谁呢？

System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());
System.out.println("ClassLoader\'s parent is:"+cl.getParent().toString());
System.out.println("ClassLoader\'s grand father is:"+cl.getParent().getParent().toString());

运行如果：

ClassLoader is:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93
Exception in thread "main" ClassLoader's parent is:sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@15db9742
java.lang.NullPointerException
    at ClassLoaderTest.main(ClassLoaderTest.java:13)

又是一个空指针异常，这表明ExtClassLoader也没有父加载器。那么，为什么标题又是每一个加载器都有一个父加载器呢？这不矛盾吗？为了解释这一点，我们还需要看下面的一个基础前提。

父加载器不是父类

我们先前已经粘贴了ExtClassLoader和AppClassLoader的代码。

static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {}
static class AppClassLoader extends URLClassLoader {}

可以看见ExtClassLoader和AppClassLoader同样继承自URLClassLoader，但上面一小节代码中，为什么调用AppClassLoader的getParent()代码会得到ExtClassLoader的实例呢？先从URLClassLoader说起，这个类又是什么？
先上一张类的继承关系图 

URLClassLoader的源码中并没有找到getParent()方法。这个方法在ClassLoader.java中。

public abstract class ClassLoader {

// The parent class loader for delegation
// Note: VM hardcoded the offset of this field, thus all new fields
// must be added *after* it.
private final ClassLoader parent;
// The class loader for the system
    // @GuardedBy("ClassLoader.class")
private static ClassLoader scl;

private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
    this.parent = parent;
    ...
}
protected ClassLoader(ClassLoader parent) {
    this(checkCreateClassLoader(), parent);
}
protected ClassLoader() {
    this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
}
public final ClassLoader getParent() {
    if (parent == null)
        return null;
    return parent;
}
public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
    initSystemClassLoader();
    if (scl == null) {
        return null;
    }
    return scl;
}

private static synchronized void initSystemClassLoader() {
    if (!sclSet) {
        if (scl != null)
            throw new IllegalStateException("recursive invocation");
        sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher();
        if (l != null) {
            Throwable oops = null;
            //通过Launcher获取ClassLoader
            scl = l.getClassLoader();
            try {
                scl = AccessController.doPrivileged(
                    new SystemClassLoaderAction(scl));
            } catch (PrivilegedActionException pae) {
                oops = pae.getCause();
                if (oops instanceof InvocationTargetException) {
                    oops = oops.getCause();
                }
            }
            if (oops != null) {
                if (oops instanceof Error) {
                    throw (Error) oops;
                } else {
                    // wrap the exception
                    throw new Error(oops);
                }
            }
        }
        sclSet = true;
    }
}
}

我们可以看到getParent()实际上返回的就是一个ClassLoader对象parent，parent的赋值是在ClassLoader对象的构造方法中，它有两个情况：
1. 由外部类创建ClassLoader时直接指定一个ClassLoader为parent。
2. 由getSystemClassLoader()方法生成，也就是在sun.misc.Laucher通过getClassLoader()获取，也就是AppClassLoader。

   直白的说，一个ClassLoader创建时如果没有指定parent，那么它的parent默认就是AppClassLoader。

我们主要研究的是ExtClassLoader与AppClassLoader的parent的来源，正好它们与Launcher类有关，我们上面已经粘贴过Launcher的部分代码。  

public class Launcher {
    private static URLStreamHandlerFactory factory = new Factory();
    private static Launcher launcher = new Launcher();
    private static String bootClassPath =
        System.getProperty("sun.boot.class.path");

    public static Launcher getLauncher() {
        return launcher;
    }

    private ClassLoader loader;

    public Launcher() {
        // Create the extension class loader
        ClassLoader extcl;
        try {
            extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create extension class loader", e);
        }

        // Now create the class loader to use to launch the application
        try {
        //将ExtClassLoader对象实例传递进去
            loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create application class loader", e);
        }

public ClassLoader getClassLoader() {
        return loader;
    }
static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {

        /**
         * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created
         * within a context that limits which files it can read
         */
        public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException
        {
            final File[] dirs = getExtDirs();

            try {
                // Prior implementations of this doPrivileged() block supplied
                // aa synthesized ACC via a call to the private method
                // ExtClassLoader.getContext().

                return AccessController.doPrivileged(
                    new PrivilegedExceptionAction<ExtClassLoader>() {
                        public ExtClassLoader run() throws IOException {
                            //ExtClassLoader在这里创建
                            return new ExtClassLoader(dirs);
                        }
                    });
            } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {
                throw (IOException) e.getException();
            }
        }


        /*
         * Creates a new ExtClassLoader for the specified directories.
         */
        public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
            super(getExtURLs(dirs), null, factory);

        }
        }
 }

我们需要注意的是

ClassLoader extcl;

extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();

loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);

代码已经说明了问题AppClassLoader的parent是一个ExtClassLoader实例。

ExtClassLoader并没有直接找到对parent的赋值。它调用了它的父类也就是URLClassLoder的构造方法并传递了3个参数。  

public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
            super(getExtURLs(dirs), null, factory);   
}

对应的代码

public  URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent,
                          URLStreamHandlerFactory factory) {
     super(parent);
}

答案已经很明了了，ExtClassLoader的parent为null。

上面张贴这么多代码也是为了说明AppClassLoader的parent是ExtClassLoader，ExtClassLoader的parent是null。这符合我们之前编写的测试代码。

不过，细心的同学发现，还是有疑问的我们只看到ExtClassLoader和AppClassLoader的创建，那么BootstrapClassLoader呢？

还有，ExtClassLoader的父加载器为null,但是Bootstrap CLassLoader却可以当成它的父加载器这又是为何呢？

我们继续往下进行。  

Bootstrap ClassLoader是由C++编写的。

Bootstrap ClassLoader是由C/C++编写的，它本身是虚拟机的一部分，所以它并不是一个JAVA类，也就是无法在java代码中获取它的引用，

JVM启动时通过Bootstrap类加载器加载rt.jar等核心jar包中的class文件，之前的int.class,String.class都是由它加载。

然后呢，我们前面已经分析了，JVM初始化sun.misc.Launcher并创建Extension ClassLoader和AppClassLoader实例。

并将ExtClassLoader设置为AppClassLoader的父加载器。Bootstrap没有父加载器，但是它却可以作用一个ClassLoader的父加载器。

比如ExtClassLoader。这也可以解释之前通过ExtClassLoader的getParent方法获取为Null的现象。具体是什么原因，很快就知道答案了。

双亲委托

双亲委托。
我们终于来到了这一步了。
一个类加载器查找class和resource时，是通过“委托模式”进行的，它首先判断这个class是不是已经加载成功，如果没有的话它并不是自己进行查找，

而是先通过父加载器，然后递归下去，直到Bootstrap ClassLoader，如果Bootstrap classloader找到了，直接返回，

如果没有找到，则一级一级返回，最后到达自身去查找这些对象。这种机制就叫做双亲委托。
整个流程可以如下图所示： 

这张图是用时序图画出来的，不过画出来的结果我却自己都觉得不理想。

大家可以看到2根箭头，蓝色的代表类加载器向上委托的方向，如果当前的类加载器没有查询到这个class对象已经加载就请求父加载器（不一定是父类）进行操作，然后以此类推。

直到Bootstrap ClassLoader。如果Bootstrap ClassLoader也没有加载过此class实例，那么它就会从它指定的路径中去查找，如果查找成功则返回，

如果没有查找成功则交给子类加载器，也就是ExtClassLoader,这样类似操作直到终点，也就是我上图中的红色箭头示例。

用序列描述一下：
1. 一个AppClassLoader查找资源时，先看看缓存是否有，缓存有从缓存中获取，否则委托给父加载器。
2. 递归，重复第1部的操作。
3. 如果ExtClassLoader也没有加载过，则由Bootstrap ClassLoader出面，它首先查找缓存，如果没有找到的话，就去找自己的规定的路径下，也就是sun.mic.boot.class下面的路径。找到就返回，没有找到，让子加载器自己去找。
4. Bootstrap ClassLoader如果没有查找成功，则ExtClassLoader自己在java.ext.dirs路径中去查找，查找成功就返回，查找不成功，再向下让子加载器找。
5. ExtClassLoader查找不成功，AppClassLoader就自己查找，在java.class.path路径下查找。找到就返回。如果没有找到就让子类找，如果没有子类会怎么样？抛出各种异常。  

上面的序列，详细说明了双亲委托的加载流程。我们可以发现委托是从下向上，然后具体查找过程却是自上至下。

 

我说过上面用时序图画的让自己不满意，现在用框图，最原始的方法再画一次。

上面已经详细介绍了加载过程，但具体为什么是这样加载，我们还需要了解几个个重要的方法loadClass()、findLoadedClass()、findClass()、defineClass()。

重要方法

loadClass()

JDK文档中是这样写的，通过指定的全限定类名加载class，它通过同名的loadClass(String,boolean)方法。

protected Class<?> loadClass(String name,
                             boolean resolve)
                      throws ClassNotFoundException

上面是方法原型，一般实现这个方法的步骤是
1. 执行findLoadedClass(String)去检测这个class是不是已经加载过了。
2. 执行父加载器的loadClass方法。如果父加载器为null，则jvm内置的加载器去替代，也就是Bootstrap ClassLoader。这也解释了ExtClassLoader的parent为null,但仍然说Bootstrap ClassLoader是它的父加载器。
3. 如果向上委托父加载器没有加载成功，则通过findClass(String)查找。  

如果class在上面的步骤中找到了，参数resolve又是true的话，那么loadClass()又会调用resolveClass(Class)这个方法来生成最终的Class对象。 我们可以从源代码看出这个步骤。  

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先，检测是否已经加载
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        //父加载器不为空则调用父加载器的loadClass
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        //父加载器为空则调用Bootstrap Classloader
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    //父加载器没有找到，则调用findclass
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                //调用resolveClass()
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

代码解释了双亲委托。

另外，要注意的是如果要编写一个classLoader的子类，也就是自定义一个classloader，建议覆盖findClass()方法，而不要直接改写loadClass()方法。
另外

if (parent != null) {
    //父加载器不为空则调用父加载器的loadClass
    c = parent.loadClass(name, false);
} else {
    //父加载器为空则调用Bootstrap Classloader
    c = findBootstrapClassOrNull(name);
}

前面说过ExtClassLoader的parent为null，所以它向上委托时，系统会为它指定Bootstrap ClassLoader。

自定义ClassLoader

不知道大家有没有发现，不管是Bootstrap ClassLoader还是ExtClassLoader等，这些类加载器都只是加载指定的目录下的jar包或者资源。

如果在某种情况下，我们需要动态加载一些东西呢？比如从D盘某个文件夹加载一个class文件，或者从网络上下载class主内容然后再进行加载，这样可以吗？

如果要这样做的话，需要我们自定义一个classloader。

自定义步骤

1. 编写一个类继承自ClassLoader抽象类。
2. 复写它的findClass()方法。
3. 在findClass()方法中调用defineClass()。  

defineClass()

这个方法在编写自定义classloader的时候非常重要，它能将class二进制内容转换成Class对象，如果不符合要求的会抛出各种异常。

注意点：

一个ClassLoader创建时如果没有指定parent，那么它的parent默认就是AppClassLoader。 

上面说的是，如果自定义一个ClassLoader，默认的parent父加载器是AppClassLoader，因为这样就能够保证它能访问系统内置加载器加载成功的class文件。

自定义ClassLoader示例之DiskClassLoader。

假设我们需要一个自定义的classloader,默认加载路径为D:\lib下的jar包和资源。  

我们写编写一个测试用的类文件，Test.java

Test.java

package com.frank.test;

public class Test {

    public void say(){
        System.out.println("Say Hello");
    }

}

然后将它编译过年class文件Test.class放到D:\lib这个路径下。

DiskClassLoader

我们编写DiskClassLoader的代码。  

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;


public class DiskClassLoader extends ClassLoader {

    private String mLibPath;

    public DiskClassLoader(String path) {
        // TODO Auto-generated constructor stub
        mLibPath = path;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // TODO Auto-generated method stub

        String fileName = getFileName(name);

        File file = new File(mLibPath,fileName);

        try {
            FileInputStream is = new FileInputStream(file);

            ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
            int len = 0;
            try {
                while ((len = is.read()) != -1) {
                    bos.write(len);
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            byte[] data = bos.toByteArray();
            is.close();
            bos.close();

            return defineClass(name,data,0,data.length);

        } catch (IOException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

        return super.findClass(name);
    }

    //获取要加载 的class文件名
    private String getFileName(String name) {
        // TODO Auto-generated method stub
        int index = name.lastIndexOf('.');
        if(index == -1){ 
            return name+".class";
        }else{
            return name.substring(index)+".class";
        }
    }

}

我们在findClass()方法中定义了查找class的方法，然后数据通过defineClass()生成了Class对象。  

测试

现在我们要编写测试代码。我们知道如果调用一个Test对象的say方法，它会输出”Say Hello”这条字符串。

但现在是我们把Test.class放置在应用工程所有的目录之外，我们需要加载它，然后执行它的方法。

具体效果如何呢？我们编写的DiskClassLoader能不能顺利完成任务呢？我们拭目以待。   

import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub

        //创建自定义classloader对象。
        DiskClassLoader diskLoader = new DiskClassLoader("D:\\lib");
        try {
            //加载class文件
            Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.Test");

            if(c != null){
                try {
                    Object obj = c.newInstance();
                    Method method = c.getDeclaredMethod("say",null);
                    //通过反射调用Test类的say方法
                    method.invoke(obj, null);
                } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                        | NoSuchMethodException
                        | SecurityException | 
                        IllegalArgumentException | 
                        InvocationTargetException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

    }

}

我们点击运行按钮，结果显示。

可以看到，Test类的say方法正确执行，也就是我们写的DiskClassLoader编写成功。

回首

讲了这么大的篇幅，自定义ClassLoader才姗姗来迟。 很多同学可能觉得前面有些啰嗦，但我按照自己的思路，我觉得还是有必要的。因为我是围绕一个关键字进行讲解的。

关键字是什么？

关键字 路径

• 从开篇的环境变量
• 到3个主要的JDK自带的类加载器
• 到自定义的ClassLoader  

它们的关联部分就是路径，也就是要加载的class或者是资源的路径。
BootStrap ClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader都是加载指定路径下的jar包。

如果我们要突破这种限制，实现自己某些特殊的需求，我们就得自定义ClassLoader，自已指定加载的路径，可以是磁盘、内存、网络或者其它。  

所以，你说路径能不能成为它们的关键字？

当然上面的只是我个人的看法，可能不正确，但现阶段，这样有利于自己的学习理解。

自定义ClassLoader还能做什么？

突破了JDK系统内置加载路径的限制之后，我们就可以编写自定义ClassLoader，然后剩下的就叫给开发者你自己了。

你可以按照自己的意愿进行业务的定制，将ClassLoader玩出花样来。

玩出花之Class解密类加载器

常见的用法是将Class文件按照某种加密手段进行加密，然后按照规则编写自定义的ClassLoader进行解密，

这样我们就可以在程序中加载特定了类，并且这个类只能被我们自定义的加载器进行加载，提高了程序的安全性。

下面，我们编写代码。

1.定义加密解密协议

加密和解密的协议有很多种，具体怎么定看业务需要。在这里，为了便于演示，我简单地将加密解密定义为异或运算。

当一个文件进行异或运算后，产生了加密文件，再进行一次异或后，就进行了解密。

2.编写加密工具类

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;


public class FileUtils {

    public static void test(String path){
        File file = new File(path);
        try {
            FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream(path+"en");
            int b = 0;
            int b1 = 0;
            try {
                while((b = fis.read()) != -1){
                    //每一个byte异或一个数字2
                    fos.write(b ^ 2);
                }
                fos.close();
                fis.close();
            } catch (IOException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

我们再写测试代码

FileUtils.test("D:\\lib\\Test.class");

然后可以看见路径D:\\lib\\Test.class下Test.class生成了Test.classen文件。  

编写自定义classloader，DeClassLoader

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;


public class DeClassLoader extends ClassLoader {

    private String mLibPath;

    public DeClassLoader(String path) {
        // TODO Auto-generated constructor stub
        mLibPath = path;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // TODO Auto-generated method stub

        String fileName = getFileName(name);

        File file = new File(mLibPath,fileName);

        try {
            FileInputStream is = new FileInputStream(file);

            ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
            int len = 0;
            byte b = 0;
            try {
                while ((len = is.read()) != -1) {
                    //将数据异或一个数字2进行解密
                    b = (byte) (len ^ 2);
                    bos.write(b);
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            byte[] data = bos.toByteArray();
            is.close();
            bos.close();

            return defineClass(name,data,0,data.length);

        } catch (IOException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

        return super.findClass(name);
    }

    //获取要加载 的class文件名
    private String getFileName(String name) {
        // TODO Auto-generated method stub
        int index = name.lastIndexOf('.');
        if(index == -1){ 
            return name+".classen";
        }else{
            return name.substring(index+1)+".classen";
        }
    }

}

测试

我们可以在ClassLoaderTest.java中的main方法中如下编码：

DeClassLoader diskLoader = new DeClassLoader("D:\\lib");
        try {
            //加载class文件
            Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.Test");

            if(c != null){
                try {
                    Object obj = c.newInstance();
                    Method method = c.getDeclaredMethod("say",null);
                    //通过反射调用Test类的say方法
                    method.invoke(obj, null);
                } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                        | NoSuchMethodException
                        | SecurityException | 
                        IllegalArgumentException | 
                        InvocationTargetException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

查看运行结果是：

可以看到了，同样成功了。现在，我们有两个自定义的ClassLoader:DiskClassLoader和DeClassLoader，我们可以尝试一下，看看DiskClassLoader能不能加载Test.classen文件也就是Test.class加密后的文件。

我们首先移除D:\\lib\\Test.class文件，只剩下一下Test.classen文件，然后进行代码的测试。

DeClassLoader diskLoader1 = new DeClassLoader("D:\\lib");
        try {
            //加载class文件
            Class c = diskLoader1.loadClass("com.frank.test.Test");

            if(c != null){
                try {
                    Object obj = c.newInstance();
                    Method method = c.getDeclaredMethod("say",null);
                    //通过反射调用Test类的say方法
                    method.invoke(obj, null);
                } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                        | NoSuchMethodException
                        | SecurityException | 
                        IllegalArgumentException | 
                        InvocationTargetException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

        DiskClassLoader diskLoader = new DiskClassLoader("D:\\lib");
        try {
            //加载class文件
            Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.Test");

            if(c != null){
                try {
                    Object obj = c.newInstance();
                    Method method = c.getDeclaredMethod("say",null);
                    //通过反射调用Test类的say方法
                    method.invoke(obj, null);
                } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                        | NoSuchMethodException
                        | SecurityException | 
                        IllegalArgumentException | 
                        InvocationTargetException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

    }

运行结果：

我们可以看到。DeClassLoader运行正常，而DiskClassLoader却找不到Test.class的类,并且它也无法加载Test.classen文件。

Context ClassLoader 线程上下文类加载器

前面讲到过Bootstrap ClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader，现在又出来这么一个类加载器，这是为什么？

前面三个之所以放在前面讲，是因为它们是真实存在的类，而且遵从”双亲委托“的机制。而ContextClassLoader其实只是一个概念。

查看Thread.java源码可以发现

public class Thread implements Runnable {

/* The context ClassLoader for this thread */
   private ClassLoader contextClassLoader;

   public void setContextClassLoader(ClassLoader cl) {
       SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
       if (sm != null) {
           sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
       }
       contextClassLoader = cl;
   }

   public ClassLoader getContextClassLoader() {
       if (contextClassLoader == null)
           return null;
       SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
       if (sm != null) {
           ClassLoader.checkClassLoaderPermission(contextClassLoader,
                                                  Reflection.getCallerClass());
       }
       return contextClassLoader;
   }
}

contextClassLoader只是一个成员变量，通过setContextClassLoader()方法设置，通过getContextClassLoader()设置。  

每个Thread都有一个相关联的ClassLoader，默认是AppClassLoader。并且子线程默认使用父线程的ClassLoader除非子线程特别设置。

我们同样可以编写代码来加深理解。
现在有2个SpeakTest.class文件，一个源码是  

package com.frank.test;

public class SpeakTest implements ISpeak {

    @Override
    public void speak() {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println("Test");
    }

}

它生成的SpeakTest.class文件放置在D:\\lib\\test目录下。
另外ISpeak.java代码  

package com.frank.test;

public interface ISpeak {
    public void speak();

}

然后，我们在这里还实现了一个SpeakTest.java

package com.frank.test;

public class SpeakTest implements ISpeak {

    @Override
    public void speak() {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println("I\' frank");
    }

}

它生成的SpeakTest.class文件放置在D:\\lib目录下。

然后我们还要编写另外一个ClassLoader，DiskClassLoader1.java这个ClassLoader的代码和DiskClassLoader.java代码一致，

我们要在DiskClassLoader1中加载位置于D:\\lib\\test中的SpeakTest.class文件。

测试代码：

DiskClassLoader1 diskLoader1 = new DiskClassLoader1("D:\\lib\\test");
Class cls1 = null;
try {
//加载class文件
 cls1 = diskLoader1.loadClass("com.frank.test.SpeakTest");
System.out.println(cls1.getClassLoader().toString());
if(cls1 != null){
    try {
        Object obj = cls1.newInstance();
        //SpeakTest1 speak = (SpeakTest1) obj;
        //speak.speak();
        Method method = cls1.getDeclaredMethod("speak",null);
        //通过反射调用Test类的speak方法
        method.invoke(obj, null);
    } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
            | NoSuchMethodException
            | SecurityException | 
            IllegalArgumentException | 
            InvocationTargetException e) {
        // TODO Auto-generated catch block
        e.printStackTrace();
    }
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}

DiskClassLoader diskLoader = new DiskClassLoader("D:\\lib");
System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+" classloader: "+Thread.currentThread().getContextClassLoader().toString());
new Thread(new Runnable() {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+" classloader: "+Thread.currentThread().getContextClassLoader().toString());

        // TODO Auto-generated method stub
        try {
            //加载class文件
        //  Thread.currentThread().setContextClassLoader(diskLoader);
            //Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.SpeakTest");
            ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            Class c = cl.loadClass("com.frank.test.SpeakTest");
            // Class c = Class.forName("com.frank.test.SpeakTest");
            System.out.println(c.getClassLoader().toString());
            if(c != null){
                try {
                    Object obj = c.newInstance();
                    //SpeakTest1 speak = (SpeakTest1) obj;
                    //speak.speak();
                    Method method = c.getDeclaredMethod("speak",null);
                    //通过反射调用Test类的say方法
                    method.invoke(obj, null);
                } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                        | NoSuchMethodException
                        | SecurityException | 
                        IllegalArgumentException | 
                        InvocationTargetException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
}).start();

结果如下：

我们可以得到如下的信息：
1. DiskClassLoader1加载成功了SpeakTest.class文件并执行成功。
2. 子线程的ContextClassLoader是AppClassLoader。
3. AppClassLoader加载不了父线程当中已经加载的SpeakTest.class内容。

我们修改一下代码，在子线程开头处加上这么一句内容。  

Thread.currentThread().setContextClassLoader(diskLoader1);

结果如下：

可以看到子线程的ContextClassLoader变成了DiskClassLoader。

继续改动代码：

Thread.currentThread().setContextClassLoader(diskLoader);

结果：

可以看到DiskClassLoader1和DiskClassLoader分别加载了自己路径下的SpeakTest.class文件，并且它们的类名是一样的com.frank.test.SpeakTest，但是执行结果不一样，因为它们的实际内容不一样。  

Context ClassLoader的运用时机

其实这个我也不是很清楚，我的主业是Android，研究ClassLoader也是为了更好的研究Android。网上的答案说是适应那些Web服务框架软件如Tomcat等。

主要为了加载不同的APP，因为加载器不一样，同一份class文件加载后生成的类是不相等的。如果有同学想多了解更多的细节，请自行查阅相关资料。

 

总结

1. ClassLoader用来加载class文件的。
2. 系统内置的ClassLoader通过双亲委托来加载指定路径下的class和资源。
3. 可以自定义ClassLoader一般覆盖findClass()方法。
4. ContextClassLoader与线程相关，可以获取和设置，可以绕过双亲委托的机制。

下一步

1. 你可以研究ClassLoader在Web容器内的应用了，如Tomcat。
2. 可以尝试以这个为基础，继续学习Android中的ClassLoader机制。

引用

我这篇文章写了好几天，修修改改，然后加上自己的理解。参考了下面的这些网站。
1. grepcode ClassLoader源码
2. http://blog.csdn.net/xyang81/article/details/7292380
3. http://blog.csdn.net/irelandken/article/details/7048817
4. https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/net/URLClassLoader.html