Java ClassLoader深入讲解

当JVM（Java虚拟机）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
                |
       extension classloader
                |
       system classloader

bootstrap classloader －引导（也称为原始）类加载器，它负责加载Java的核心类。在Sun的JVM中，在执行java的命令中使用-Xbootclasspath选项或使用 - D选项指定sun.boot.class.path系统属性值可以指定附加的类。这个加载器的是非常特殊的，它实际上不是 java.lang.ClassLoader的子类，而是由JVM自身实现的。大家可以通过执行以下代码来获得bootstrap classloader加载了那些核心类库：
   URL[] urls=sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
   for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
     System.out.println(urls.toExternalform());
   }
在我的计算机上的结果为：
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/dom.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/sax.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xalan-2.3.1.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xercesImpl-2.0.0.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xml-apis.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xsltc.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/rt.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/i18n.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/sunrsasign.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/jsse.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/jce.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/charsets.jar
文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/classes
这时大家知道了为什么我们不需要在系统属性CLASSPATH中指定这些类库了吧，因为JVM在启动的时候就自动加载它们了。

extension classloader －扩展类加载器，它负责加载JRE的扩展目录（JAVA_HOME/jre/lib/ext或者由java.ext.dirs系统属性指定的）中JAR的 类包。这为引入除Java核心类以外的新功能提供了一个标准机制。因为默认的扩展目录对所有从同一个JRE中启动的JVM都是通用的，所以放入这个目录的 JAR类包对所有的JVM和system classloader都是可见的。在这个实例上调用方法getParent()总是返回空值null，因为引导加载器bootstrap classloader不是一个真正的ClassLoader实例。所以当大家执行以下代码时：
   System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
   ClassLoader extensionClassloader=ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
   System.out.println("the parent of extension classloader : "+extensionClassloader.getParent());
结果为：
C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/ext
the parent of extension classloader : null
extension classloader是system classloader的parent，而bootstrap classloader是extension classloader的parent，但它不是一个实际的classloader，所以为null。

system classloader －系统（也称为应用）类加载器，它负责在JVM被启动时，加载来自在命令java中的-classpath或者java.class.path系统属性或 者 CLASSPATH操作系统属性所指定的JAR类包和类路径。总能通过静态方法ClassLoader.getSystemClassLoader()找 到该类加载器。如果没有特别指定，则用户自定义的任何类加载器都将该类加载器作为它的父加载器。执行以下代码即可获得：
   System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
输出结果则为用户在系统属性里面设置的CLASSPATH。
classloader 加载类用的是全盘负责委托机制。所谓全盘负责，即是当一个classloader加载一个Class的时候，这个Class所依赖的和引用的所有 Class也由这个classloader负责载入，除非是显式的使用另外一个classloader载入；委托机制则是先让parent（父）类加载器 (而不是super，它与parent classloader类不是继承关系)寻找，只有在parent找不到的时候才从自己的类路径中去寻找。此外类加载还采用了cache机制，也就是如果 cache中保存了这个Class就直接返回它，如果没有才从文件中读取和转换成Class，并存入cache，这就是为什么我们修改了Class但是必 须重新启动JVM才能生效的原因。


每个ClassLoader加载Class的过程是：
1.检测此Class是否载入过（即在cache中是否有此Class），如果有到8,如果没有到2
2.如果parent classloader不存在（没有parent，那parent一定是bootstrap classloader了），到4
3.请求parent classloader载入，如果成功到8，不成功到5
4.请求jvm从bootstrap classloader中载入，如果成功到8
5.寻找Class文件（从与此classloader相关的类路径中寻找）。如果找不到则到7.
6.从文件中载入Class，到8.
7.抛出ClassNotFoundException.
8.返回Class.

其中5.6步我们可以通过覆盖ClassLoader的findClass方法来实现自己的载入策略。甚至覆盖loadClass方法来实现自己的载入过程。

类加载器的顺序是：
先 是bootstrap classloader，然后是extension classloader，最后才是system classloader。大家会发现加载的Class越是重要的越在靠前面。这样做的原因是出于安全性的考虑，试想如果system classloader“亲自”加载了一个具有破坏性的“java.lang.System”类的后果吧。这种委托机制保证了用户即使具有一个这样的类， 也把它加入到了类路径中，但是它永远不会被载入，因为这个类总是由bootstrap classloader来加载的。大家可以执行一下以下的代码：
   System.out.println(System.class.getClassLoader());
将会看到结果是null，这就表明java.lang.System是由bootstrap classloader加载的，因为bootstrap classloader不是一个真正的ClassLoader实例，而是由JVM实现的，正如前面已经说过的。

下面就让我们来看看JVM是如何来为我们来建立类加载器的结构的：
sun.misc.Launcher，顾名思义，当你执行java命令的时候，JVM会先使用bootstrap classloader载入并初始化一个Launcher，执行下来代码：
  System.out.println("the Launcher's classloader is "+sun.misc.Launcher.getLauncher().getClass().getClassLoader());
结果为：
  the Launcher's classloader is null (因为是用bootstrap classloader加载,所以class loader为null)
Launcher 会根据系统和命令设定初始化好class loader结构，JVM就用它来获得extension classloader和system classloader,并载入所有的需要载入的Class，最后执行java命令指定的带有静态的main方法的Class。extension classloader实际上是sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类的一个实例，system classloader实际上是sun.misc.Launcher$AppClassLoader类的一个实例。并且都是 java.net.URLClassLoader的子类。

让我们来看看Launcher初试化的过程的部分代码。

Launcher的部分代码：
public class Launcher  {
   public Launcher() {
       ExtClassLoader extclassloader;
       try {
           //初始化extension classloader
           extclassloader = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
       } catch(IOException ioexception) {
           throw new InternalError("Could not create extension class loader");
       }
       try {
           //初始化system classloader，parent是extension classloader
           loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extclassloader);
       } catch(IOException ioexception1) {
           throw new InternalError("Could not create application class loader");
       }
       //将system classloader设置成当前线程的context classloader（将在后面加以介绍）
       Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
       ......
   }
   public ClassLoader getClassLoader() {
       //返回system classloader
       return loader;
   }
}

extension classloader的部分代码：
static class Launcher$ExtClassLoader extends URLClassLoader {

   public static Launcher$ExtClassLoader getExtClassLoader()
       throws IOException
   {
       File afile[] = getExtDirs();
       return (Launcher$ExtClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$1(afile));
   }
  private static File[] getExtDirs() {
       //获得系统属性“java.ext.dirs”
       String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
       File afile[];
       if(s != null) {
           StringTokenizer stringtokenizer = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
           int i = stringtokenizer.countTokens();
           afile = new File;
           for(int j = 0; j < i; j++)
               afile[j] = new File(stringtokenizer.nextToken());

       } else {
           afile = new File[0];
       }
       return afile;
   }
}

system classloader的部分代码：
static class Launcher$AppClassLoader extends URLClassLoader
{

   public static ClassLoader getAppClassLoader(ClassLoader classloader)
       throws IOException
   {
       //获得系统属性“java.class.path”
       String s = System.getProperty("java.class.path");
       File afile[] = s != null ? Launcher.access$200(s) : new File[0];
       return (Launcher$AppClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$2(s, afile, classloader));
   }
}

看 了源代码大家就清楚了吧，extension classloader是使用系统属性“java.ext.dirs”设置类搜索路径的，并且没有parent。system classloader是使用系统属性“java.class.path”设置类搜索路径的，并且有一个parent classloader。Launcher初始化extension classloader，system classloader，并将system classloader设置成为context classloader，但是仅仅返回system classloader给JVM。

　　这里怎么又出来一个context classloader呢？它有什么用呢？我们在建立一个线程Thread的时候，可以为这个线程通过setContextClassLoader方法来 指定一个合适的classloader作为这个线程的context classloader，当此线程运行的时候，我们可以通过getContextClassLoader方法来获得此context classloader，就可以用它来载入我们所需要的Class。默认的是system classloader。利用这个特性，我们可以“打破”classloader委托机制了，父classloader可以获得当前线程的context classloader，而这个context classloader可以是它的子classloader或者其他的classloader，那么父classloader就可以从其获得所需的 Class，这就打破了只能向父classloader请求的限制了。这个机制可以满足当我们的classpath是在运行时才确定,并由定制的 classloader加载的时候,由system classloader(即在jvm classpath中)加载的class可以通过context classloader获得定制的classloader并加载入特定的class(通常是抽象类和接口,定制的classloader中是其实现),例 如web应用中的servlet就是用这种机制加载的.


好了，现在我们了解了classloader的结构和工作原理，那么我们 如何实现在运行时的动态载入和更新呢？只要我们能够动态改变类搜索路径和清除classloader的cache中已经载入的Class就行了，有两个方 案，一是我们继承一个classloader，覆盖loadclass方法，动态的寻找Class文件并使用defineClass方法来；另一个则非常 简单实用，只要重新使用一个新的类搜索路径来new一个classloader就行了，这样即更新了类搜索路径以便来载入新的Class，也重新生成了一 个空白的cache(当然,类搜索路径不一定必须更改)。噢，太好了，我们几乎不用做什么工作，java.netURLClassLoader正是一个符 合我们要求的classloader！我们可以直接使用或者继承它就可以了！

这是j2se1.4 API的doc中URLClassLoader的两个构造器的描述：
URLClassLoader(URL[] urls)
         Constructs a new URLClassLoader for the specified URLs using the default delegation parent ClassLoader.
URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent)
         Constructs a new URLClassLoader for the given URLs.
其中URL[] urls就是我们要设置的类搜索路径，parent就是这个classloader的parent classloader，默认的是system classloader。


好，现在我们能够动态的载入Class了，这样我们就可以利用newInstance方法来获得一个Object。但我们如何将此Object造型呢？可以将此Object造型成它本身的Class吗？

首先让我们来分析一下java源文件的编译，运行吧！javac命令是调用“JAVA_HOME/lib/tools.jar”中的“com.sun.tools.javac.Main”的compile方法来编译：

   public static int compile(String as[]);

   public static int compile(String as[], PrintWriter printwriter);

返回0表示编译成功，字符串数组as则是我们用javac命令编译时的参数，以空格划分。例如：
javac -classpath c:/foo/bar.jar;. -d c:/ c:/Some.java
则 字符串数组as为{"-classpath","c://foo//bar.jar;.","-d","c://","c://Some.java"}， 如果带有PrintWriter参数，则会把编译信息出到这个指定的printWriter中。默认的输出是System.err。

其中 Main是由JVM使用Launcher初始化的system classloader载入的，根据全盘负责原则，编译器在解析这个java源文件时所发现的它所依赖和引用的所有Class也将由system classloader载入，如果system classloader不能载入某个Class时，编译器将抛出一个“cannot resolve symbol”错误。

所以首先编译就通不过，也就是编译器无法编译一个引用了不在CLASSPATH中的未知Class的java源文件，而由于拼写错误或者没有把所需类库放到CLASSPATH中，大家一定经常看到这个“cannot resolve symbol”这个编译错误吧！

其 次，就是我们把这个Class放到编译路径中，成功的进行了编译，然后在运行的时候不把它放入到CLASSPATH中而利用我们自己的 classloader来动态载入这个Class，这时候也会出现“java.lang.NoClassDefFoundError”的违例，为什么呢？

我 们再来分析一下，首先调用这个造型语句的可执行的Class一定是由JVM使用Launcher初始化的system classloader载入的，根据全盘负责原则，当我们进行造型的时候，JVM也会使用system classloader来尝试载入这个Class来对实例进行造型，自然在system classloader寻找不到这个Class时就会抛出“java.lang.NoClassDefFoundError”的违例。

OK， 现在让我们来总结一下，java文件的编译和Class的载入执行，都是使用Launcher初始化的system classloader作为类载入器的，我们无法动态的改变system classloader，更无法让JVM使用我们自己的classloader来替换system classloader，根据全盘负责原则，就限制了编译和运行时，我们无法直接显式的使用一个system classloader寻找不到的Class，即我们只能使用Java核心类库，扩展类库和CLASSPATH中的类库中的Class。

还 不死心！再尝试一下这种情况，我们把这个Class也放入到CLASSPATH中，让system classloader能够识别和载入。然后我们通过自己的classloader来从指定的class文件中载入这个Class（不能够委托 parent载入，因为这样会被system classloader从CLASSPATH中将其载入），然后实例化一个Object，并造型成这个Class，这样JVM也识别这个Class（因为 system classloader能够定位和载入这个Class从CLASSPATH中），载入的也不是CLASSPATH中的这个Class，而是从 CLASSPATH外动态载入的，这样总行了吧！十分不幸的是，这时会出现“java.lang.ClassCastException”违例。

为 什么呢？我们也来分析一下，不错，我们虽然从CLASSPATH外使用我们自己的classloader动态载入了这个Class，但将它的实例造型的时 候是JVM会使用system classloader来再次载入这个Class，并尝试将使用我们的自己的classloader载入的Class的一个实例造型为system classloader载入的这个Class（另外的一个）。大家发现什么问题了吗？也就是我们尝试将从一个classloader载入的Class的一 个实例造型为另外一个classloader载入的Class，虽然这两个Class的名字一样，甚至是从同一个class文件中载入。但不幸的是JVM 却认为这个两个Class是不同的，即JVM认为不同的classloader载入的相同的名字的Class（即使是从同一个class文件中载入的）是 不同的！这样做的原因我想大概也是主要出于安全性考虑，这样就保证所有的核心Java类都是system classloader载入的，我们无法用自己的classloader载入的相同名字的Class的实例来替换它们的实例。

看到这里，聪明的读者一定想到了该如何动态载入我们的Class，实例化，造型并调用了吧！

那 就是利用面向对象的基本特性之一的多形性。我们把我们动态载入的Class的实例造型成它的一个system classloader所能识别的父类就行了！这是为什么呢？我们还是要再来分析一次。当我们用我们自己的classloader来动态载入这我们只要把 这个Class的时候，发现它有一个父类Class，在载入它之前JVM先会载入这个父类Class，这个父类Class是system classloader所能识别的，根据委托机制，它将由system classloader载入，然后我们的classloader再载入这个Class，创建一个实例，造型为这个父类Class，注意了，造型成这个父类 Class的时候（也就是上溯）是面向对象的java语言所允许的并且JVM也支持的，JVM就使用system classloader再次载入这个父类Class，然后将此实例造型为这个父类Class。大家可以从这个过程发现这个父类Class都是由 system classloader载入的，也就是同一个class loader载入的同一个Class，所以造型的时候不会出现任何异常。而根据多形性，调用这个父类的方法时，真正执行的是这个Class（非父类 Class）的覆盖了父类方法的方法。这些方法中也可以引用system classloader不能识别的Class，因为根据全盘负责原则，只要载入这个Class的classloader即我们自己定义的 classloader能够定位和载入这些Class就行了。

这样我们就可以事先定义好一组接口或者基类并放入CLASSPATH中，然 后在执行的时候动态的载入实现或者继承了这些接口或基类的子类。还不明白吗？让我们来想一想Servlet吧，web application server能够载入任何继承了Servlet的Class并正确的执行它们，不管它实际的Class是什么，就是都把它们实例化成为一个Servlet Class，然后执行Servlet的init，doPost，doGet和destroy等方法的,而不管这个Servlet是从web- inf/lib和web-inf/classes下由system classloader的子classloader(即定制的classloader)动态载入。说了这么多希望大家都明白了。在applet,ejb等 容器中,都是采用了这种机制.

对于以上各种情况，希望大家实际编写一些example来实验一下。

最后我再说点别的， classloader虽然称为类加载器，但并不意味着只能用来加载Class，我们还可以利用它也获得图片，音频文件等资源的URL，当然，这些资源必 须在CLASSPATH中的jar类库中或目录下。我们来看API的doc中关于ClassLoader的两个寻找资源和Class的方法描述吧：
　　　　　　　　public URL getResource(String name)
　　　　　　　　用指定的名字来查找资源，一个资源是一些能够被class代码访问的在某种程度上依赖于代码位置的数据（图片，音频，文本等等）。
               一个资源的名字是以'/'号分隔确定资源的路径名的。
               这个方法将先请求parent classloader搜索资源，如果没有parent，则会在内置在虚拟机中的classloader（即bootstrap classloader）的路径中搜索。如果失败，这个方法将调用findResource(String)来寻找资源。
　　　　　　　　public static URL getSystemResource(String name)
               从用来载入类的搜索路径中查找一个指定名字的资源。这个方法使用system class loader来定位资源。即相当于ClassLoader.getSystemClassLoader().getResource(name)。

例如：
   System.out.println(ClassLoader.getSystemResource("java/lang/String.class"));
的结果为：
   jar:文件:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/rt.jar!/java/lang/String.class
表明String.class文件在rt.jar的java/lang目录中。
因此我们可以将图片等资源随同Class一同打包到jar类库中（当然，也可单独打包这些资源）并添加它们到class loader的搜索路径中，我们就可以无需关心这些资源的具体位置，让class loader来帮我们寻找了！

 原文引自：http://www.blogjava.net/lhulcn618/archive/2006/05/25/48230.html