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Java ClassLoader深入研究

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J2SE

转自：http://blog.csdn.net/gtuu0123/article/details/4493757

参考文章：

http://blog.csdn.net/lovingprince/archive/2009/06/03/4238695.aspx

http://www.yesky.com/243/1840743.shtml

Java为了提供平台无关性，在操作系统之上加入了一层JVM来隔离操作系统特定实现，使所编写的java代码在任何平台都能运行，但是JVM是特定于某一操作系统的

一、当JVM启动时，由三个类加载器对类进行加载：
1.bootstrap classloader

2.extension classloader
3.system classloader

（1）bootstrap classloader［引导类加载器］ 是由JVM实现的，不是java.lang.ClassLoader的子类，它负责加载Java的核心类，其加载的类由 sun.boot.class.path指定，或者在执行java命令时使用-Xbootclasspath选项或使用-D选项指定sun.boot.class.path系统属性值

说明：

-Dproperty_name=property_value 指定属性的值；

-Xbootclasspath 改变虚拟机装载缺省系统运行包rt.jar，而从-Xbootclasspath中设定的搜索路径中装载系统运行类

输出加载的核心类库：

[java] view plain copy

public class TestBootstrapClassLoader {
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());
}
}
}

输出结果：

file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/lib/rt.jar
file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/lib/i18n.jar
file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/lib/jsse.jar
file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/lib/jce.jar
file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/lib/charsets.jar
file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/classes

（2） 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。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。

[java] view plain copy

class TestExtensionClassLoader {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
ClassLoader extensionClassloader=ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
System.out.println("the parent of extension classloader : "+extensionClassloader.getParent());
}
}

输出结果：

E:/MyEclipse 5.1.1 GA/jre/lib/ext
the parent of extension classloader : null

以上这段代码也表明了下列父子关系或加载顺序：

bootstrap classloader(因其不是ClassLoader的子类，null)-->extension classloader-->system classloader

这也表明了jvm在加载类的顺序，当加载一个类时（假设其未加载），先找到最顶层的classloader，如果其可以加载这个类（或者已经加载了这个类），则返回这个类；如果其不能加载类（换个说法：在相应路径中搜索不到相应类），则用其子classloader加载，直到这个类被加载或者抛出相应的异常

这个顺序保证了越重要的类，越先加载；因为一个类只被加载一次（cache），所以如java.lang.System这个类，不能被用户替换(因为是按照 bootstrap-->extension-->system的顺序，当要加载java.lang.System类时，其首先从 bootstrap的搜索路径中找类）

（3）system/application classloader ［系统（应用）类加载器］ ，加载来自-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。

a.可以通过静态方法ClassLoader.getSystemClassLoader()找到该类加载器。

b.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。可以从源代码看出这一点：

[java] view plain copy

protected ClassLoader() {
SecurityManager security = System.getSecurityManager();
if (security != null) {
security.checkCreateClassLoader();
}
this.parent = getSystemClassLoader();
initialized = true;
}

classpath路径：

[java] view plain copy

class TestSystemClassLoader {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
}
}

结果为：

E:/dev/java/eclipse/TestClassLoader/classes;E:/dev/java/lib/commons-logging-1.1.jar

重要：

classloader加载类用的是全盘负责委托机制。

a.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 ；

b.委托机制则是先让 parent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。

二、ClassLoader加载Class的过程
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.

源代码如下：

[java] view plain copy

ClassLoader类中
protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
// First, check if the class has already been loaded
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
try {
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
c = findBootstrapClass0(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
c = findClass(name);
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}

可以看到当在parent链classloader中和bootstrap classloader中都找不到相应的类时，会调用findClass方法，因此ClassLoader的子类可以重写这个方法，定义自己的找到类的方法

以下是一些类的ClassLoader示例：

[java] view plain copy

class TestClassLoader {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(System.class.getClassLoader());
System.out.println(javax.swing.JButton.class.getClassLoader());
System.out.println(sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService.class.getClassLoader());
System.out.println(org.apache.commons.logging.Log.class.getClassLoader());
}
}

输出：

null 其路径在sun.boot.class.path中，由bootstrap classloader加载，所以返回为null（因其不是ClassLoader的子类）

null        其路径在sun.boot.class.path中，由bootstrap classloader加载
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7259da      路径在java.ext.dirs中，由extension classloader加载
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@197d257   由classpath指定，由system classloader加载

查看sun.misc.Launcher的源代码

[java] view plain copy

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");
}
// 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");
}
// Also set the context class loader for the primordial thread.
Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
// 其他
}

可以看到是由Launcher这个类初始化ExtClassLoader和AppClassLoader类的

ExtClassLoader无parent，而AppClassLoader的parent为 ExtClassLoader

Launcher的getClassLoader()方法

[java] view plain copy

public ClassLoader getClassLoader() {
return loader;
}
只返回AppClassLoader

ExtClassLoader

[java] view plain copy

static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
private File[] dirs;
/**
* 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 (ExtClassLoader) AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction() {
public Object 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;
}

AppClassLoader

[java] view plain copy

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);
// Note: on bugid 4256530
// Prior implementations of this doPrivileged() block supplied
// a rather restrictive ACC via a call to the private method
// AppClassLoader.getContext(). This proved overly restrictive
// when loading classes. Specifically it prevent
// accessClassInPackage.sun.* grants from being honored.
//
return (AppClassLoader)
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() {
public Object run() {
URL[] urls =
(s == null) ? new URL[0] : pathToURLs(path);
return new AppClassLoader(urls, extcl);
}
});
}
......

Launcher类的getBootstrapClassPath()方法

[java] view plain copy

public static URLClassPath getBootstrapClassPath() {
String prop = (String)AccessController.doPrivileged(new GetPropertyAction("sun.boot.class.path"));
URL[] urls;
if (prop != null) {
final String path = prop;
urls = (URL[])AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedAction() {
public Object run() {
File[] classPath = getClassPath(path);
int len = classPath.length;
Set seenDirs = new HashSet();
for (int i = 0; i < len; i++) {
File curEntry = classPath[i];
// Negative test used to properly handle
// nonexistent jars on boot class path
if (!curEntry.isDirectory()) {
curEntry = curEntry.getParentFile();
}
if (curEntry != null && seenDirs.add(curEntry)) {
MetaIndex.registerDirectory(curEntry);
}
}
return pathToURLs(classPath);
}
}
);
} else {
urls = new URL[0];
}
return new URLClassPath(urls, factory);
}

从以上代码中可以看到bootstrap classloader使用sun.boot.class.path来加载类，extension classloader使用java.ext.dirs来加载类，而system classloader使用java.class.path来加载类

运行下列程序：

[java] view plain copy

class Test1 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(sun.misc.Launcher.getLauncher().getClass().getClassLoader());
}
}

结果为：

null

表明Launcher是由bootstrap classloader来加载的

三、关于Context ClassLoader

在上面Launcher的构造函数中有这么一句： Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader); 这句是设置当前线程的classloader，默认是使用的AppClassLoader

这个有什么作用呢?

当线程需要用到某个类，contextClassLoader被请求来载入该类

注意：

（1）Class.forName(String name)载入的是在系统中已经加载入sun.boot.class.path、 java.ext.dirs、 java.class.path路径中的类，而在这几个路径中未加入的类不能载入（报异常）

（2）Class.forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader)可以载入上述三个路径中没有的类，只要指定你的classloader即可

（3）利用ClassLoader可以载入在上述三个路径中没有的类

示例：

[java] view plain copy

自定义ClassLoader，从c根目录中读class
package Test;
public class TestClassLoader extends ClassLoader {
protected Map<String, Class> cache = new HashMap<String, Class>();
public TestClassLoader() {
super();
}
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
if (cache.get(name) != null) {
return cache.get(name);
}
try {
String tname = name.replace('.', '/');
File file = new File("c://" + tname + ".class");
FileInputStream in = new FileInputStream(file);
BufferedInputStream bufIn = new BufferedInputStream(in);
ByteArrayOutputStream byteOut = new ByteArrayOutputStream();
BufferedOutputStream bufOut = new BufferedOutputStream(byteOut);
byte[] buffer = new byte[4096];
int len = -1;
while((len = bufIn.read(buffer)) != -1) {
bufOut.write(buffer, 0, len);
}
bufOut.flush();
byteOut.flush();
byte[] data = byteOut.toByteArray();
Class cls = defineClass(name, data, 0, data.length);
cache.put(name, cls);
return cls; } catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
}
class TestLoader {
public static void main(String[] args) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " " + cl.toString());
new Thread() {
public void run() {
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " " + cl.toString());
TestClassLoader loader = new TestClassLoader();
Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
new Thread() {
public void run() {
try {
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " " + cl.toString());
//ClassLoader
AbstractTestA test = (AbstractTestA) cl.loadClass("Test.TestAImp1").newInstance();
//Class.forName
//AbstractTestA test = (AbstractTestA) Class.forName("Test.TestAImp1", true, cl).newInstance(); test.test();
} catch (InstantiationException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (ClassNotFoundException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
}.start();
}
}.start();
}
}
//抽象类
package Test;
public abstract class AbstractTestA {
public String a;
public void print() {
System.out.println("a=" + a);
}
abstract public void test();
}
//编译后放入c根目录
package Test;
public class TestAImp1 extends AbstractTestA {
public void test() {
System.out.println(Thread.currentThread().toString());
System.out.println("Test");
}
}

运行结果为：

Thread[main,5,main] sun.misc.Launcher$AppClassLoader@197d257
Thread[Thread-0,5,main] sun.misc.Launcher$AppClassLoader@197d257
Thread[Thread-1,5,main] Test.TestClassLoader@1004901
Thread[Thread-1,5,main]
Test

这也表明了线程间ContextClassLoader的继承性：

（1）main线程默认的 ContextClassLoader为AppClassLoader

（2）新启动线程从原线程处继承 ContextClassLoader

四、关于ClassLoader和Package

其中：String(int offset, int len, char[] arr)为包访问权限

[java] view plain copy

package java.lang;
public class TestPackage {
public static void main(String[] args) {
char[] c = "1234567890".toCharArray();
String s = new String(0, 10, c);
}
}

此代码可以编译通过，但是运行时出现下列错误：

java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(Unknown Source)
at java.lang.ClassLoader.defineClass(Unknown Source)
at java.security.SecureClassLoader.defineClass(Unknown Source)
at java.net.URLClassLoader.defineClass(Unknown Source)
at java.net.URLClassLoader.access$100(Unknown Source)
at java.net.URLClassLoader$1.run(Unknown Source)
at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)

这表明：

Java语言规定，在同一个包中的class，如果没有修饰符，默认为Package权限，包内的class都可以访问。但是这还不够准确。确切的说，只有由同一个ClassLoader装载的class才具有以上的Package权限。比如Bootstrap classloader装载了java.lang.String，AppClassLoader装载了我们自己写的 java.lang.TestPackage，它们不能互相访问对方具有Package权限的方法。这样就阻止了恶意代码访问核心类的Package权限方法。

五、关于两个ClassLoader载入同一个类

注意：由两个不同的ClassLoader载入的同一个类，其是不同类型的，因此如果进行赋值会报ClassCastException

示例：

[java] view plain copy

package Test;
import java.io.*;
import java.util.*;
public class TestClassLoader extends ClassLoader {
protected Map<String, Class> cache = new HashMap<String, Class>();
public TestClassLoader() {
super();
}
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
if (cache.get(name) != null) {
return cache.get(name);
}
try {
String tname = name.replace('.', '/');
File file = new File("c://" + tname + ".class");
FileInputStream in = new FileInputStream(file);
BufferedInputStream bufIn = new BufferedInputStream(in);
ByteArrayOutputStream byteOut = new ByteArrayOutputStream();
BufferedOutputStream bufOut = new BufferedOutputStream(byteOut);
byte[] buffer = new byte[4096];
int len = -1;
while((len = bufIn.read(buffer)) != -1) {
bufOut.write(buffer, 0, len);
}
bufOut.flush();
byteOut.flush();
byte[] data = byteOut.toByteArray();
Class cls = defineClass(name, data, 0, data.length);
cache.put(name, cls);
return cls;
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
}
class TestLoaderA {
public static void main(String[] args) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
TestClassLoader loader = new TestClassLoader();
System.out.println(TestAImp1.class.getClassLoader());
System.out.println(loader.findClass("Test.TestAImp1").getClassLoader());
TestAImp1 test = (TestAImp1)loader.findClass("Test.TestAImp1").newInstance();
test.test();
}
}
public class TestAImp1 extends AbstractTestA {
public void test() {
System.out.println(Thread.currentThread().toString());
System.out.println("Test");
}
}

运行以上代码结果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@197d257
Test.TestClassLoader@1b90b39
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: Test.TestAImp1
at Test.TestLoaderA.main(TestClassLoader.java:84)

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2014-01-10 18:31
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一、当JVM启动时，由三个类加载器对类进行加载：
1.bootstrap classloader

三、关于Context ClassLoader

四、关于ClassLoader和Package

五、关于两个ClassLoader载入同一个类

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