Java ClassLoader原理分析

一、JDK默认提供的三个ClassLoader

JDK 默认提供了如下几种ClassLoader

1. Bootstrp loader

Bootstrp加载器是用C++语言写的，它是在Java虚拟机启动后初始化的，它主要负责加载%JAVA_HOME%/jre/lib,-Xbootclasspath参数指定的路径以及%JAVA_HOME%/jre/classes中的类。

2. ExtClassLoader  

Bootstrp loader加载ExtClassLoader,并且将ExtClassLoader的父加载器设置为Bootstrp loader.ExtClassLoader是用Java写的，具体来说就是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader，ExtClassLoader主要加载%JAVA_HOME%/jre/lib/ext，此路径下的所有classes目录以及java.ext.dirs系统变量指定的路径中类库。

3. AppClassLoader 

Bootstrp loader加载完ExtClassLoader后，就会加载AppClassLoader,并且将AppClassLoader的父加载器指定为 ExtClassLoader。AppClassLoader也是用Java写成的，它的实现类是 sun.misc.Launcher$AppClassLoader，另外我们知道ClassLoader中有个getSystemClassLoader方法,此方法返回的正是AppclassLoader.AppClassLoader主要负责加载classpath所指定的位置的类或者是jar文档，它也是Java程序默认的类加载器。

综上所述，它们之间的关系可以通过下图形象的描述：

 还有一种用户自定义类加载器：

4. User Custom ClassLoader/用户自定义类加载器(java.lang.ClassLoader的子类) 

在程序运行期间, 通过java.lang.ClassLoader的子类动态加载class文件, 体现java动态实时类装入特性。

二、双亲委托模型

Java中ClassLoader的加载采用了双亲委托机制，采用双亲委托机制加载类的时候采用如下的几个步骤：

1. 当前ClassLoader首先从自己已经加载的类中查询是否此类已经加载，如果已经加载则直接返回原来已经加载的类。

   每个类加载器都有自己的加载缓存，当一个类被加载了以后就会放入缓存，等下次加载的时候就可以直接返回了。

2. 当前classLoader的缓存中没有找到被加载的类的时候，委托父类加载器去加载，父类加载器采用同样的策略，首先查看自己的缓存，然后委托父类的父类去加载，一直到bootstrp ClassLoader.

3. 当所有的父类加载器都没有加载的时候，再由当前的类加载器加载，并将其放入它自己的缓存中，以便下次有加载请求的时候直接返回。

说到这里大家可能会想，Java为什么要采用这样的委托机制？理解这个问题，我们引入另外一个关于Classloader的概念“命名空间”， 它是指要确定某一个类，需要类的全限定名以及加载此类的ClassLoader来共同确定。也就是说即使两个类的全限定名是相同的，但是因为不同的 ClassLoader加载了此类，那么在JVM中它是不同的类。明白了命名空间以后，我们再来看看委托模型。采用了委托模型以后加大了不同的 ClassLoader的交互能力，比如上面说的，我们JDK本生提供的类库，比如hashmap,linkedlist等等，这些类由bootstrp 类加载器加载了以后，无论你程序中有多少个类加载器，那么这些类其实都是可以共享的，这样就避免了不同的类加载器加载了同样名字的不同类以后造成混乱。

 

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、JVM在搜索类的时候，如何判断两个class相同呢？

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。

 

4.ClassLoader 体系架构

 

四、自定义ClassLoader

Java除了上面所说的默认提供的classloader以外，它还容许应用程序可以自定义classloader，那么要想自定义classloader我们需要通过继承java.lang.ClassLoader来实现,接下来我们就来看看再自定义Classloader的时候，我们需要注意的几个重要的方法：

1.loadClass 方法

loadClass method declare

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

上面是loadClass方法的原型声明，上面所说的双亲委托机制的实现其实就实在此方法中实现的。下面我们就来看看此方法的代码来看看它到底如何实现双亲委托的。

loadClass method implement

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException  {   return loadClass(name, false); }

从上面可以看出loadClass方法调用了loadcClass(name,false)方法，那么接下来我们再来看看另外一个loadClass方法的实现。

Class loadClass(String name, boolean resolve)

 

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)  throws ClassNotFoundException     {  // First, check if the class has already been loaded  Class c = findLoadedClass(name); //检查class是否已经被加载过了  if (c == null)  {       try {       if (parent != null) {           c = parent.loadClass(name, false); //如果没有被加载，且指定了父类加载器，则委托父加载器加载。       } else {           c = findBootstrapClass0(name);//如果没有父类加载器，则委托bootstrap加载器加载      }       } catch (ClassNotFoundException e) {           // If still not found, then invoke findClass in order           // to find the class.           c = findClass(name);//如果父类加载没有加载到，则通过自己的findClass来加载。      }   }   if (resolve)  {       resolveClass(c);   }   return c; }

上面的代码，我加了注释通过注释可以清晰看出loadClass的双亲委托机制是如何工作的。 这里我们需要注意一点就是public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException没有被标记为final，也就意味着我们是可以override这个方法的，也就是说双亲委托机制是可以打破的。另外上面注意到有个findClass方法，接下来我们就来说说这个方法到底是搞末子的。

2.findClass

我们查看java.lang.ClassLoader的源代码，我们发现findClass的实现如下：

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException  {   throw new ClassNotFoundException(name); }

我们可以看出此方法默认的实现是直接抛出异常，其实这个方法就是留给我们应用程序来override的。那么具体的实现就看你的实现逻辑了，你可以从磁盘读取，也可以从网络上获取class文件的字节流，获取class二进制了以后就可以交给defineClass来实现进一步的加载。defineClass我们再下面再来描述。 ok，通过上面的分析，我们可以得出如下结论：

我们在写自己的ClassLoader的时候，如果想遵循双亲委托机制，则只需要override findClass.

3.defineClass

我们首先还是来看看defineClass的源码：

defineClass

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)   throws ClassFormatError {       return defineClass(name, b, off, len, null); }

从上面的代码我们看出此方法被定义为了final，这也就意味着此方法不能被Override，其实这也是jvm留给我们的唯一的入口，通过这个唯 一的入口，jvm保证了类文件必须符合Java虚拟机规范规定的类的定义。此方法最后会调用native的方法来实现真正的类的加载工作。

Ok,通过上面的描述，我们来思考下面一个问题：
假如我们自己写了一个java.lang.String的类，我们是否可以替换调JDK本身的类？

答案是否定的。我们不能实现。为什么呢？我看很多网上解释是说双亲委托机制解决这个问题，其实不是非常的准确。因为双亲委托机制是可以打破的，你完全可以自己写一个classLoader来加载自己写的java.lang.String类，但是你会发现也不会加载成功，具体就是因为针对java.*开头的类，jvm的实现中已经保证了必须由bootstrp来加载。

五、不遵循“双亲委托机制”的场景

上面说了双亲委托机制主要是为了实现不同的ClassLoader之间加载的类的交互问题，被大家公用的类就交由父加载器去加载，但是Java中确实也存在父类加载器加载的类需要用到子加载器加载的类的情况。下面我们就来说说这种情况的发生。

 

Java中有一个SPI(Service Provider Interface)标准,使用了SPI的库，比如JDBC，JNDI等，我们都知道JDBC需要第三方提供的驱动才可以，而驱动的jar包是放在我们应 用程序本身的classpath的，而jdbc 本身的api是jdk提供的一部分，它已经被bootstrp加载了，那第三方厂商提供的实现类怎么加载呢？这里面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。
另外为了实现更灵活的类加载器OSGI以及一些Java app server也打破了双亲委托机制。