Spring资源加载基础ClassLoader

1 ClassLoader工作机制

1.1 ClassLoader作用

寻找类字节码文件并构造出类在JVM内部表示的组件.负责运行时查找和装入Class字节码文件

1.2 装载步骤

1.2.1 装载

查找装载class字节码文件

1.2.2 链接

执行校验，准备和解析步骤，其中解析步骤时可选的

1.2.2.1 校验

检查装载Class文件的正确性

1.2.2.2 准备

给类的静态变量分配存储空间

1.2.2.3 解析

将符号引用转换为直接引用

1.2.3 初始化

对类的静态变量，方法，代码块执行初始化操作

2 JVM中提供的ClassLoader

2.1 Bootstrap ClassLoader（根加载器）

最顶层的装载器，它不是ClassLoader的子类，采用C++编写，因此在JAVA中不可见。主要负责装载JRE核心类库。可以通过jvm启动参数-Xbootclasspath改变该加载器加载的路径

2.2 Extention ClassLoader（扩展加载器）

主要负责加载JRE扩展目录ext下的包，可以通过-D java.ext.dirs选项指定目录

2.3 App ClassLoader（应用加载器/系统加载器）

负责加载当前工程目录下，classpath下的包或者class文件

其中Extention ClassLoader & AppClassLoader是ClassLoader的子类，根加载器是扩展加载器的父加载器，扩展加载器是应用加载器的父加载器。在默认情况下使用应用加载器

3 JVM加载机制

类加载采用“全盘负责委托机制”。

“全盘负责”：在类加载时指定一个ClassLoader，除非显示声明其他的加载器，否则该类所依赖的类以及引用的类都由该加载器加载。

“委托机制”：类加载时优先委托父加载器寻找并加载目标类，只有在父加载器没有找到的情况下，才从自己的classpath路径下查找并加载目标类。该点主要是出于安全的考虑，在classpath路径下定义JDK中已经存在的类，由于该机制，JDK中的类都由父加载器开始查找并加载.每个加载器都有缓存，在委托时优先查找缓存，如果缓存中存在，那么直接返回，否者才执行查找和加载

4 类实例，类描述对象以及ClassLoader关系

类文件被加载后，在JVM内部对应拥有一个java.lang.Class类描述对象，类的每个实例拥有类描述对象的引用，类描述对象拥有类加载器的引用

5 启动顺序

Bootstrap ClassLoader-->Extention ClassLoader-->AppClass Loader即Bootstrap ClassLoader最先启动，接着是Extenion ClassLoader,最后是AppClass Loader

6 源码分析

6.1 JVM入口应用是sun.misc.Launcher

1.定义Bootstrap ClassLoader加载路径(sun.boot.class.path)

2.创建Extention ClassCloader

3.创建App ClassLoader并设置App ClassLoader的父类：Extention ClassCloader

1. public class Launcher {
2. //Bootstrap ClassLoader加载路径
3. private static String bootClassPath = System.getProperty("sun.boot.class.path");
4.  
5.     //该处定义的App ClassLoader
6. private ClassLoader loader;
7.  
8. public Launcher() {
9. // Create the extension class loader
10. ClassLoader extcl;
11. try {
12.     //创建Extention ClassLoader
13. extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
14. } catch (IOException e) {......}
15.  
16. // Now create the class loader to use to launch the application
17. try {
18.     //创建AppClassLoader并传入父加载器,由此可看AppClassLoader父加载器是Extention ClassLoader
19. loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
20. } catch (IOException e) {......}
21.  
22. //设置AppClassLoader为当前线程上下问类加载器
23. // Also set the context class loader for the primordial thread.
24. Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
25. }
26.  
27. public ClassLoader getClassLoader() {
28. return loader;
29. }
30.  
31. static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {}
32.  
33. static class AppClassLoader extends URLClassLoader {}
34. }

该类中定义了Bootstrap ClassLoader加载路径,同时创建了Extention ClassLoader以及AppClassLoader,如下是Bootstrap ClassLoader加载路径信息

1. /usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/resources.jar
2. /usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/rt.jar
3. /usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/sunrsasign.jar
4. /usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/jsse.jar
5. /usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/jce.jar
6. /usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/charsets.jar
7. /usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/jfr.jar
8. /usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/classes

从输出路径上看Bootstrap ClassLoader主要加载的是jre/lib目录下的资源.即JVM Runtime核心库

6.2 ExtClassLoader源码

1.根据查找路径获得路径(jav.ext.dirs)下文件

2.将文件路径转换为URL

3.调用父类构造函数,创建ExtClassLoader并设置父加载器

1. static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
2. public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException
3. {
4. final File[] dirs = getExtDirs();//获得查找路径下的所有文件
5. try {
6. return AccessController.doPrivileged(
7. new PrivilegedExceptionAction<ExtClassLoader>() {
8. public ExtClassLoader run() throws IOException {
9. ......
10.     //创建Extention ClassLoader
11. return new ExtClassLoader(dirs);
12. }
13. });
14. } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {......}
15. }

1. public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
2.     //调用父类URLClassLoader的构造函数并传入父加载器，此时为null
3. super(getExtURLs(dirs), null, factory);
4. }

1. private static File[] getExtDirs() {
2.     //Extention ClassLoader加载路径
3. String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
4. File[] dirs;
5. if (s != null) {
6. StringTokenizer st = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
7. int count = st.countTokens();
8. dirs = new File[count];
9. for (int i = 0; i < count; i++) {
10. dirs[i] = new File(st.nextToken());
11. }
12. } else {
13. dirs = new File[0];
14. }
15. return dirs;
16. }
17. }

1. private static URL[] getExtURLs(File[] dirs) throws IOException {
2. Vector<URL> urls = new Vector<URL>();
3. for (int i = 0; i < dirs.length; i++) {
4. String[] files = dirs[i].list();
5. if (files != null) {
6. for (int j = 0; j < files.length; j++) {
7. if (!files[j].equals("meta-index")) {
8. File f = new File(dirs[i], files[j]);
9. urls.add(getFileURL(f));
10. }
11. }
12. }
13. }
14. URL[] ua = new URL[urls.size()];
15. urls.copyInto(ua);
16. return ua;
17. }

1. static URL getFileURL(File file) {
2. try {
3. file = file.getCanonicalFile();
4. } catch (IOException e) {}
5.  
6. try {
7. return ParseUtil.fileToEncodedURL(file);
8. } catch (MalformedURLException e) {
9. // Should never happen since we specify the protocol...
10. throw new InternalError(e);
11. }
12. }

如下是java.ext.dirs的输出信息

1. /usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/jre/lib/ext
2. /usr/java/packages/lib/ext

6.3 AppClassLoader源码

1.获得java.classs.path路径下的所有文件

2.解析文件路径为URL

3.调用父类构造函数创建AppClassLoader并设置父类

1. static class AppClassLoader extends URLClassLoader {
2. public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader extcl)
3. throws IOException
4. {
5.     //AppClassLoader加载路径
6. final String s = System.getProperty("java.class.path");
7. final File[] path = (s == null) ? new File[0] : getClassPath(s);
8.  
9. return AccessController.doPrivileged(
10. new PrivilegedAction<AppClassLoader>() {
11. public AppClassLoader run() {
12. URL[] urls =
13. (s == null) ? new URL[0] : pathToURLs(path);
14. return new AppClassLoader(urls, extcl);
15. }
16. });
17. }
18.  
19. AppClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent) {
20. super(urls, parent, factory);
21. }
22. }
23. }

1. private static URL[] pathToURLs(File[] path) {
2. URL[] urls = new URL[path.length];
3. for (int i = 0; i < path.length; i++) {
4. urls[i] = getFileURL(path[i]);
5. }
6. // DEBUG
7. //for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
8. // System.out.println("urls[" + i + "] = " + '"' + urls[i] + '"');
9. //}
10. return urls;
11. }

Java.class.path输出信息

/work/new_workspace/aaa/bin

7 ClassLoader继承关系

java.lang.Object

    java.lang.ClassLoader

        java.security.SecureClassLoader

            java.net.URLClassLoader

                ExtClassLoader

                AppClassLoader

8 获得加载器的父加载器

可以通过getParent()获得当前加载器的父加载器

1. //Main为自定义Class
2. System.out.println(Main.class.getClassLoader());
3. System.out.println(Main.class.getClassLoader().getParent());
4.  
5. System.out.println(Main.class.getClassLoader().getParent().getParent());
6. System.out.println(Boolean.class.getClassLoader());

1. sun.misc.Launcher$AppClassLoader@330bedb4
2. sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@5cad8086
3.  
4. null
5. null

为什么获得ExtClassLoader的父加载器为null?这和每个加载器都有一个父加载器违背.这个属于正常现象.具体原因如下:

1.从ExtClassLoader构造函数super(getExtURLs(dirs), null, factory);可以看出此时传入的就是null

2.Bootstrap ClassLoader是由C/C++编写的，它本身是虚拟机的一部分，不是一个JAVA类，无法在java代码中获取它的引用，凡是sun.boot.class.path路径下的包以及类都是由它加载。JVM初始化sun.misc.Launcher创建Extension ClassLoader和AppClassLoader实例。并将ExtClassLoader设置为AppClassLoader的父加载器。BootstrapClassCloader没有父加载器，但是它却可以作为一个ClassLoader的父加载器。比如ExtClassLoader。这也可以解释之前通过ExtClassLoader的getParent方法获取为Null的现象.我们可以分析getParent()的源码

父加载器可以直接由外界指定,如果外界不指定，那么采用AppClassLoader作为父加载器

//在创建ExtClassLoader时,采用super(getExtURLs(dirs), null, factory).所以获得的是null

1. public URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent, URLStreamHandlerFactory factory) {
2. super(parent);
3. }

1. public abstract class ClassLoader {
2. //父加载器直接由外部指定
3. protected ClassLoader(ClassLoader parent) {
4. this(checkCreateClassLoader(), parent);
5. }
6. }

1. //没有指定父加载器的情况下将系统加载器设置为父加载器即AppClassLoader
2. protected ClassLoader() {
3. this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
4. }

1. private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
2. this.parent = parent;
3. ...
4. }

1. public final ClassLoader getParent() {
2. if (parent == null)
3. return null;
4. ..........
5. return parent;
6. }

1. public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
2. initSystemClassLoader();
3. ......
4. return scl;
5. }

1. private static synchronized void initSystemClassLoader() {
2. if (!sclSet) {
3. //通过Launcher获取ClassLoader,其实就是AppClassLoader
4. sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher();
5.     scl = l.getClassLoader();
6. }

9 重要方法

9.1 URL getResource(String name)

查找给定名称的资源。资源的名称是一个/分隔的路径名称标识资源，优先查找父加载器，如果找不到在从Bootstrap ClassLoader路径中查找并加载

1. public URL getResource(String name) {
2. URL url;
3. if (parent != null) {
4. url = parent.getResource(name);
5. } else {
6. url = getBootstrapResource(name);
7. }
8. if (url == null) {
9. url = findResource(name);
10. }
11. return url;
12. }

9.2 Enumeration<URL> getResources(String name)

查找给定名称的所有资源。资源的名称是一个/分隔的路径名称标识资源，优先查找父加载器，如果找不到在从Bootstrap ClassLoader路径中查找并加载，该模式下支持正则匹配

1. public Enumeration<URL> getResources(String name) throws IOException {
2. @SuppressWarnings("unchecked")
3. Enumeration<URL>[] tmp = (Enumeration<URL>[]) new Enumeration<?>[2];
4. if (parent != null) {
5. tmp[0] = parent.getResources(name);
6. } else {
7. tmp[0] = getBootstrapResources(name);
8. }
9. tmp[1] = findResources(name);
10.  
11. return new CompoundEnumeration<>(tmp);
12. }

9.3 URL getSystemResource(String name)

采用AppClassLoader加载给定名称的资源

1. public static URL getSystemResource(String name) {
2. ClassLoader system = getSystemClassLoader();
3. if (system == null) {
4. return getBootstrapResource(name);
5. }
6. return system.getResource(name);
7. }

9.4 Enumeration<URL> getSystemResources(String name)

采用AppClassLoader加载给定名称的所有资源

1. public static Enumeration<URL> getSystemResources(String name)
2. throws IOException
3. {
4. ClassLoader system = getSystemClassLoader();
5. if (system == null) {
6. return getBootstrapResources(name);
7. }
8. return system.getResources(name);
9. }

9.5 URL findResource(String name)

查找具有给定名称的资源。类加载器实现应覆盖此方法以指定在哪里查找资源

1. protected URL findResource(String name) {
2. return null;
3. }

9.6 Enumeration<URL> findResources(String name)

查找具有给定名称的所有资源。类加载器实现应覆盖此方法以指定在哪里查找资源

1. protected Enumeration<URL> findResources(String name) throws IOException {
2. return java.util.Collections.emptyEnumeration();
3. }

9.7 loadClass

loadClass(String name) & loadClass(String name, boolean resolve)name指定了类装载器的名字，必须使用全限定名。resolve告诉装载器是否需要解析该类。在初始化之前，应该考虑进行类解析工作。并不是所有的类都需要解析的。如果JVM只需要知道该类是否存在或者找出该类的超类，那么就不需要解析该类

1. public abstract class ClassLoader {
2. protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
3. throws ClassNotFoundException
4. {
5. synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
6. // First, check if the class has already been loaded
7. //是否已经加载
8. Class<?> c = findLoadedClass(name);
9. if (c == null) {
10. try {
11. if (parent != null) {
12. //递归调用,查找父加载器
13. c = parent.loadClass(name, false);
14. } else {
15. //调用Bootstrap Classloader
16. c = findBootstrapClassOrNull(name);
17. }
18. } catch (ClassNotFoundException e) {......}
19.  
20. if (c == null) {
21. // If still not found, then invoke findClass in order
22. // to find the class.
23.     //调用findClass
24. c = findClass(name);
25. ....
26. }
27. }
28. if (resolve) {
29. resolveClass(c);
30. }
31. return c;
32. }
33. }
34. }

1. protected final Class<?> findLoadedClass(String name) {
2. if (!checkName(name))
3. return null;
4. return findLoadedClass0(name);
5. }
6.  
7. private native final Class<?> findLoadedClass0(String name);

1. private Class<?> findBootstrapClassOrNull(String name)
2. {
3. if (!checkName(name)) return null;
4. return findBootstrapClass(name);
5. }
6.  
7. private native Class<?> findBootstrapClass(String name);

1. protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
2. throw new ClassNotFoundException(name);
3. }

9.8 defineClass(String name,byte[] b, int off,int len)

将类文件字节码数组装换成JVM内部的java.lang.Class对象，字节数组可以从本地系统，远程网络获取

1. protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
2. throws ClassFormatError
3. {
4. return defineClass(name, b, off, len, null);
5. }

1. protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,
2. ProtectionDomain protectionDomain)
3. throws ClassFormatError
4. {
5. protectionDomain = preDefineClass(name, protectionDomain);
6. String source = defineClassSourceLocation(protectionDomain);
7. Class<?> c = defineClass1(name, b, off, len, protectionDomain, source);
8. postDefineClass(c, protectionDomain);
9. return c;
10. }

1. private native Class<?> defineClass1(String name, byte[] b, int off, int len,
2. ProtectionDomain pd, String source);

9.9 findSystemClass(String)

从本地文件系统载入Class文件，如果本地文件系统中不存在该Class文件，抛出ClassNotFoundError。该方法是JVM默认使用的装载器

1. protected final Class<?> findSystemClass(String name)
2. throws ClassNotFoundException
3. {
4. ClassLoader system = getSystemClassLoader();
5. if (system == null) {
6. if (!checkName(name))
7. throw new ClassNotFoundException(name);
8. Class<?> cls = findBootstrapClass(name);
9. if (cls == null) {
10. throw new ClassNotFoundException(name);
11. }
12. return cls;
13. }
14. return system.loadClass(name);
15. }

9.10 findLoadedClass(String name)

该方法查看ClassLoader是否已经加载了某个类，如果载入就返回Class对象，否则返回null，如果强行载入已经载入的类会抛出异常

1. protected final Class<?> findLoadedClass(String name) {
2. if (!checkName(name))
3. return null;
4. return findLoadedClass0(name);
5. }
6.  
7. private native final Class<?> findLoadedClass0(String name);

10 如何自定义ClassLoader

1.编写一个类继承ClassLoader

2.重写findClass 方法

3.在findClass中调用defineClass即可

 

11 Context ClassLoader 线程上下文类加载器

1. public class Thread implements Runnable {
2.  
3. /* The context ClassLoader for this thread */
4. private ClassLoader contextClassLoader;
5.  
6. public void setContextClassLoader(ClassLoader cl) {
7. SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
8. if (sm != null) {
9. sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
10. }
11. contextClassLoader = cl;
12. }
13.  
14. public ClassLoader getContextClassLoader() {
15. if (contextClassLoader == null)
16. return null;
17. SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
18. if (sm != null) {
19. ClassLoader.checkClassLoaderPermission(contextClassLoader,
20. Reflection.getCallerClass());
21. }
22. return contextClassLoader;
23. }
24. }

contextClassLoader只是一个成员变量，通过setContextClassLoader()方法设置，通过getContextClassLoader()获得。 

每个Thread都有一个相关联的ClassLoader，默认是AppClassLoader。并且子线程默认使用父线程的ClassLoader除非子线程特别设置

12 自定义ClassLoader的作用

常见的用法是将Class文件按照某种加密手段进行加密，然后按照规则编写自定义的ClassLoader进行解密，这样我们就可以在程序中加载特定了类，并且这个类只能被我们自定义的加载器进行加载，提高了程序的安全性。