ClassLoader原理分析

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ClassLoader java ClassLoader java 加载

前文：Java中的所有类，必须被装载到jvm中才能运行，这个装载工作是由jvm中的类装载器完成的。

类装载器所做的工作实质是把类文件从硬盘读取到jvm运行内存中，或者从网络中读取到jvm运行内存中

JVM在加载类的时候，都是通过ClassLoader的loadClass()方法来加载class的。

例如：

public class TestClassLoader {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(TestClassLoader.class.getClassLoader());
    }
}

运行结果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@4e0e2f2a

但是ClassLoader是怎样加载class的呢？

一、java ClassLoader体系

Java默认是有三个ClassLoader，按层次关系从上到下依次是：

Bootstrap ClassLoader
ExtClassLoader
AppClassLoader

Bootstrap ClassLoader是最顶层的ClassLoader，比较特殊，是用C++编写集成在JVM中的，是JVM启动的时候用来加载一些核心类的，

比如：rt.jar,resources.jar,charsets.jar,jce.jar等

import java.net.URL;

public class TestClassLoader {

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

运行结果为：

file:/C:/Program%20Files/Java/jre1.8.0_73/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jre1.8.0_73/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jre1.8.0_73/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jre1.8.0_73/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jre1.8.0_73/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jre1.8.0_73/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jre1.8.0_73/lib/jfr.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jre1.8.0_73/classes

Bootstrap ClassLoader加载的类全都是java自有的核心类。

ExtClassLoader、AppClassLoader都是继承自Bootstrap ClassLoader。

ExtClassLoader是用来加载扩展类加载器，负责加载Java的扩展类库，默认加载JAVA_HOME/jre/lib/ext/目录下的所有的jar

AppClassLoader叫做系统类加载器，负责加载应用程序classpath目录下的所有jar和class文件，包括我们平时运行jar包指定cp参数下的jar包

我们问题是，虽然有三个类加载器，但是jvm怎样知道一个java 类是哪个ClassLoader来加载的呢，使用什么规则或者算法？

二、ClassLoader双亲委派模式

通过查看java.lang.ClassLoader（所有的类加载器都是继承该类）的

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException ;

又调用了protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)

throws ClassNotFoundException;

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    //如果父加载器不为空，使用父加载器加载class
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        //如果父加载器也为空，使用bootstarpClassLoader加载
                        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();
                    //如果还为空，调用自定义的加载方法
                    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) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

这时问题是,parent是什么?

public abstract class ClassLoader {

    // The parent class loader for delegation
    private final ClassLoader parent;
    
    ...
}

原来ClassLoader内部使用了父加载器，这就是双亲委托模式。

如图所示：

当前类加载器先不加载class，委托给父加载器加载class，如果父加载器没有加载成功，本类加载器再加载class。

可以使用下面代码测试下：

public class TestClassLoader {

    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader loader = MyAppClassLoader.class.getClassLoader();
        while(loader != null) {
            System.out.println(loader);
            loader = loader.getParent();   
        }
        System.out.println(loader);
    }
}

运行结果为：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@4e0e2f2a
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@2a139a55
null

这样做的好处是：

为了安全性，避免用户自己编写的类动态替换Java的一些核心类，比如String，同时也避免了重复加载，因为JVM中区分不同类，不仅仅是根据类名，相同的class文件被不同的ClassLoader加载就是不同的两个类，如果相互转型的话会抛java.lang.ClassCaseException

三、自定义ClassLoader

通常我们不需要自己实现ClassLoader，但是在一些特殊的场景需要自定义ClassLoader，比如tomcat加载webApp下面的Class，或者一些RPC框架，或者从文件流中，等等，我们需要继承java.lang.ClassLoader ，

比如：

public class MyAppClassLoader extends ClassLoader{
    @Override
    public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        //从特殊路径下读取class,或者从网络中读取class，不管咋样，实现自己的方法，返回加载class
        
        //...
    }
}

四、ContextLoader当前classLoader

首先关于类的加载补充一点就是如果类A是被一个加载器加载的，那么类A中引用的B也是由这个加载器加载的(如果B还没有被加载的话)，通常情况下就是类B必须在类A的classpath下。

那么问题来了。某些时候这种顺序机制会造成困扰，特别是jvm需要动态载入有开发者提供的资源时。Java中有一个SPI(Service Provider Interface)标准,使用了SPI的库，比如JNDI,JDBC,等等。

这里以JNDI为例，JNDI的类是由bootstarp ClassLoader从rt.jar中间载入的，但是JNDI具体的核心驱动是由正式的实现提供的，并且通常会处于-cp参数之下（注：也就是默认的System ClassLoader管理），这就要求bootstartp ClassLoader去载入只有SystemClassLoader可见的类，正常的逻辑就没办法处理。怎么办呢？

这时JAVA引入了线程上下文类加载的概念，线程类加载器默认会从父线程继承，如果没有指定的话，默认就是系统类加载器（AppClassLoader）,这样的话当加载第三方驱动的时候，就可以通过线程的上下文类加载器来加载。

Thread两个方法：

public ClassLoader getContextClassLoader() ;

public void setContextClassLoader(ClassLoader cl) ;

我们在加载动态类的时候，可以是在当前上下文环境下的特定的ClassLoader，然后通过当前上下文的ClassLoader去加载动态类，这样就可以摆脱双亲委托模式了。

如果没有通过 setContextClassLoader(ClassLoader cl)方法进行设置的话，线程将继承其父线程的上下文类加载器。