类加载器

一、序言

类加载器（class loader）是Java中的一个很重要的概念。类加载器负责加载Java类的字节代码到Java虚拟机中。本文首先详细介绍了Java类加载器的基本概 念，包括代理模式、加载类的具体过程和线程上下文类加载器等，接着介绍如何开发自己的类加载器，最后介绍了类加载器在Web容器和OSGi中的应用。
类 加载器是Java语言的一个创新，也是Java语言流行的重要原因之一。它使得Java类可以被动态加载到Java虚拟机中并执行。类加载器从JDK 1.0就出现了，最初是为了满足Java Applet的需要而开发出来的。Java Applet需要从远程下载Java类文件到浏览器中并执行。现在类加载器在Web容器和OSGi中得到了广泛的使用。
一般来说，Java应用的 开发人员不需要直接同类加载器进行交互。Java虚拟机默认的行为就已经足够满足大多数情况的需求了。不过如果遇到了需要与类加载器进行交互的情况，而对 类加载器的机制又不是很了解的话，就很容易花大量的时间去调试ClassNotFoundException和NoClassDefFoundError 等异常。
本文将详细介绍Java的类加载器，帮助读者深刻理解Java语言中的这个重要概念。

二、类加载器基本概念

顾名思义，类加载器（class loader）用来加载Java类到Java虚拟机中。一般来说，Java虚拟机使用Java类的方式如下：Java源程序（.java文件）在经过 Java编译器编译之后就被转换成 Java字节代码（.class 文件）。类加载器负责读取Java字节代码，并转换成java.lang.Class类的一个实例。每个这样的实例用来表示一个Java类。通过此实例的 newInstance()方法就可以创建出该类的一个对象。实际的情况可能更加复杂，比如Java字节代码可能是通过工具动态生成的，也可能是通过网络 下载的。（类加载器加载Java字节代码，而不关心这个字节代码的来源）。
基本上所有的类加载器都是java.lang.ClassLoader类的子类的实例。

2.1、java.lang.ClassLoader类介绍

java.lang.ClassLoader类的基本职责就是根据一个指定的类的名称，找到或者生成其对应的字节代码，然后从这些字节代码中定义出 一个Java类，即java.lang.Class类的一个实例。除此之外，ClassLoader还可以用来加载Java应用所需的资源，如图像文件和 配置文件等。不过本文只讨论其加载类的功能。
为了完成加载类的这个职责，ClassLoader提供了一系列的方法，比较重要的方法如表1所示。关于这些方法的细节会在下面进行介绍。
表1.ClassLoader中与加载类相关的方法

方法	说明
getParent()	返回该类加载器的父类加载器
loadClass(String name)	加载名称为name的类，返回的结果是java.lang.Class类的实例
findClass(String name)	查找名称为name的类，返回的结果是java.lang.Class类的实例
findLoadedClass(String name)	查找名称为name的已经被加载过的类，返回的结果是java.lang.Class类的实例
defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)	把字节数组b中的内容转换成Java类，返回的结果是java.lang.Class类的实例。这个方法被声明为final的
resolveClass(Class c)	链接指定的Java类

对于表1中给出的方法，表示类名称的name参数的值是类的二进制名称。需要注意的是内部类的表示，如com.example.Sample$1和com.example.Sample$Inner等表示方式。这些方法会在下面介绍类加载器的工作机制时，做进一步的说明。

2.2、类加载器的树状组织结构

Java中的类加载器大致可以分成两类，一类是系统提供的，另外一类则是由Java应用开发人员编写的。

2.2.1、系统提供的类加载器

1、引导类加载器（bootstrap class loader）：它用来加载Java的核心库，是用原生代码来实现的，并不继承自java.lang.ClassLoader。
2、扩展类加载器（extensions class loader）：它用来加载Java的扩展库。Java虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。该类加载器在此目录里面查找并加载Java类。它继承自java.lang.ClassLoader。
3、系统类加载器（system class loader）：它根据Java应用的类路径（CLASSPATH）来加载Java类。一般来说，Java应用的类都是由它来完成加载的。可以通过ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它。它继承自java.lang.ClassLoader。
备注：以上跟 Java中“路径”浅谈中的相关介绍一致。

2.2.2、Java应用开发人员编写的类加载器

除了系统提供的类加载器以外，开发人员可以通过继承java.lang.ClassLoader类的方式实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求。

除 了引导类加载器之外，所有的类加载器都有一个父类加载器。通过表1中给出的getParent()方法可以得到。对于系统提供的类加载器来说，系统类加载 器的父类加载器是扩展类加载器，而扩展类加载器的父类加载器是引导类加载器；对于开发人员编写的类加载器来说，其父类加载器是加载此类加载器Java类的 类加载器。因为类加载器Java类如同其它的Java类一样，也是要由类加载器来加载的。一般来说，开发人员编写的类加载器的父类加载器是系统类加载器。
类加载器通过这种方式组织起来，形成树状结构。树的根节点就是引导类加载器。图1中给出了一个典型的类加载器树状组织结构示意图，其中的箭头指向的是父类加载器。
图1.类加载器树状组织结构示意图