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Java ClassLoader分析

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什么是 ClassLoader

一个 Java 程序是由若干个 class 文件组成。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 class 文件不存在的，则会引发 ClassNotFoundException。

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。

Java ClassLoader 的体系结构

现在先看下 ClassLoader 的体系结构： classload-architecture.png

Bootstrap 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。

可以通过如下程序获得该 classloader 所加载的 jar

System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));

程序输出：

/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/classes

如果是 scala 会在 java 的基础上额外加载几个 jar。

scala> println(System.getProperty("sun.boot.class.path"))
/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/classes:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/akka-actor_2.11-2.3.10.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/config-1.2.1.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/jline-2.12.1.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-actors-2.11.0.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-actors-migration_2.11-1.1.0.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-compiler.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-continuations-library_2.11-1.0.2.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-continuations-plugin_2.11.7-1.0.2.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-library.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-parser-combinators_2.11-1.0.4.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-reflect.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-swing_2.11-1.0.2.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-xml_2.11-1.0.4.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scalap-2.11.7.jar

Extension ClassLoader

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。该类在 sun.misc.launcher 包中。

App ClassLoader

App ClassLoader：称为应用类加载器，也称为 System ClassLoaer，负责加载应用程序 CLASSPATH 下的所有 jar 和 class 文件。该类也在 sun.misc.launcher 包中。

User-Defined ClassLoader

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.

所有的 ClassLoader 都必须继承自 java.lang.ClassLoader，而 Bootstrap ClassLoader 却不是。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。

ClassLoader 加载原理

ClassLoader 使用的是双亲委托模型来搜索类的，每个 ClassLoader 实例都包含(而不是继承)一个父类加载器的引用。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。

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；
  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。
  4. 如果它们都没有加载到这个类时，则抛出 ClassNotFoundException 异常。否则（找到），将为这个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；

总之，class 的加载顺序为：cache -> parent classloader -> self.

使用双亲委托模型的好处：

  1. 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。
  2. 提高安全性。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。

在 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。比如有一个 Java 类 SimpleClass.java，javac 编译之后生成字节码文件 SimpleClass.class，ClassLoaderA 和 ClassLoaderB 这两个类加载器并读取了 SimpleClass.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。

如何自定义 ClassLoader

何时需要自己定制 ClassLoader？

  1. 需要加载外部的 class 而这些 class，默认的类加载器是加载不到的。例如，文件系统比较特殊或者需要从网络中加载一个 class 字节流等。
  2. 需要实现 class 的隔离性。常用的 web 服务器，如 weblogic、tomcat、jetty 等都实现这样的类加载器。这些类加载器主要做到： 1）实现加载 Web 应用指定目录下的 jar 和 class。 2）实现部署在容器中的 Web 应用程共同使用的类库的共享。 3）实现部署在容器中各个 Web 应用程序自己私有类库的相互隔离。

如何自定义 ClassLoader

  1. 继承 java.lang.ClassLoader
  2. 覆盖 findClass()方法

下面是一个自定义 ClassLoader 的例子：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        Class clazz = this.findLoadedClass(name);  // optional
        if (clazz == null) {
            byte[] classData = loadClassData(name);
            if (classData == null) {
                throw new ClassNotFoundException();
            }
            clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
        return clazz;
    }

    private byte[] loadClassData(String name) {
        // TODO: load class data.
        return null;
    }
}