深入分析Java ClassLoader原理

一、什么是ClassLoader?

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。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.classloader.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 = "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<?> 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:

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:

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。

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:

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Bootstrcp 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ClassLoaderTest.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Bootstrcp ClassLoader来加载ClassLoaderTest.class,有两种方式:

1、在jvm中添加-Xbootclasspath参数,指定Bootstrcp ClassLoader加载类的路径,并追加我们自已的jar(ClassTestLoader.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 Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.nio.cs.StreamDecoder from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.ArrayList from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.reflect.Array from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.Locale from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$Node from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.CharacterDataLatin1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.io.ObjectStreamClass from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.net.www.ParseUtil from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.BitSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.net.Parts from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.net.URLStreamHandler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.net.www.protocol.file.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.HashSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.net.www.protocol.jar.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader$1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Path C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]
[Loaded classloader.ClassLoaderTest from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]
null  //这是打印的结果
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes;c:\ClassLoaderTest.jar  
//这一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));打印出来的。这个路径就是Bootstrcp ClassLoader默认搜索类的路径
[Loaded java.lang.Shutdown from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.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Bootstrcp 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

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 java.net.URL;

/**
 * 加载网络class的ClassLoader
 */
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";
	}

}

测试类:

package classloader;

public class 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://localhost: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) {
			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httpweb

2、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;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;

public class ClassLoaderServletTest extends HttpServlet {

	public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
			throws ServletException, IOException {

		response.setContentType("text/html");
		PrintWriter out = response.getWriter();
		ClassLoader loader = this.getClass().getClassLoader();
		while(loader != null) {
			out.write(loader.getClass().getName()+"<br/>");
			loader = loader.getParent();
		}
		out.write(String.valueOf(loader));
		out.flush();
		out.close();
	}

	public void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
			throws ServletException, IOException {
		this.doGet(request, response);
	}

}

3、配置Servlet,并启动服务

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<web-app version="2.4" 
	xmlns="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee" 
	xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" 
	xsi:schemaLocation="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee 

http://java.sun.com/xml/ns/j2ee/web-app_2_4.xsd">

  <servlet>
    <servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>
    <servlet-class>ClassLoaderServletTest</servlet-class>
  </servlet>

  <servlet-mapping>
    <servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>
    <url-pattern>/servlet/ClassLoaderServletTest</url-pattern>
  </servlet-mapping>
  <welcome-file-list>
    <welcome-file>index.jsp</welcome-file>
  </welcome-file-list>
</web-app>

4、访问Servlet,获得显示结果



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