JVM学习十一：JVM之深入分析ClassLoader

本章节准备写的是对类加载器ClassLoader的剖析，但因为前面已经对类加载器做过一些简单的分析和双亲委派机制的分析；因此本章节的侧重点在于实例演示和自定义加载器。

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 FilesJavajdk1.6.0_22jrelib esources.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib t.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibsunrsasign.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibjsse.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibjce.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibcharsets.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jreclasses
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 FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded sun.nio.cs.StreamDecoder from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.ArrayList from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.lang.reflect.Array from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.Locale from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentMap from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.Lock from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$Node from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.lang.CharacterDataLatin1 from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.io.ObjectStreamClass from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded sun.net.www.ParseUtil from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.BitSet from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.net.Parts from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.net.URLStreamHandler from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded sun.net.www.protocol.file.Handler from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.util.HashSet from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded sun.net.www.protocol.jar.Handler from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader$1 from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Path C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jreclasses]  
[Loaded classloader.ClassLoaderTest from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jreclasses]  
null  //这是打印的结果  
C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
esources.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar;  
C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibsunrsasign.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibjsse.jar;  
C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibjce.jar;C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelibcharsets.jar;  
C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jreclasses;c:ClassLoaderTest.jar    
//这一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));打印出来的。这个路径就是Bootstrcp ClassLoader默认搜索类的路径  
[Loaded java.lang.Shutdown from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.jar]  
[Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:Program FilesJavajdk1.6.0_22jrelib
t.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

 

声明本文转载自：https://blog.csdn.net/xyang81/article/details/7292380；感谢此博主。另外一篇不错的文章为：

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