Java的类加载机制（ClassLoader）
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
- 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
- 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。 - 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
双亲委派模型工作过程是：如果一个类加载器收到类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器完成。每个类加载器都是如此，只有当父加载器在自己的搜索范围内找不到指定的类时（即ClassNotFoundException），子加载器才会尝试自己去加载。
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：
[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