目錄：

• 類加載器
• java.lang.ClassLoader類 URLClassLoader與SecureClassLoader ClassLoader常見方法源碼分析
• 雙親委托機制 圖解 源碼角度分析
• 常見的問題分析

前言：我們剛剛接觸Java時，在IDE（集成開發(fā)環(huán)境） 或者文本編輯器中所寫的都是.java文件，在編譯后會生成.class文件，又稱字節(jié)碼文件。

javac HelloWorld.java ---> HelloWorld.class 復制代碼

對于.class文件來說，需要被加載到虛擬機中才能使用，這個加載的過程就成為類加載。如果想要知道類加載的方式，就需要知道類加載器和雙親委托機制的概念。也就是我們本篇所要介紹的內(nèi)容。

1. 類加載器

Java中的類加載器可以分為兩種：

• 系統(tǒng)類加載器
• 自定義類加載器

而系統(tǒng)類加載器又有3個：

• Bootstrap ClassLoader：啟動類加載器
• Extensions ClassLoader：擴展類加載器
• App ClassLoader：也稱為SystemAppClass，系統(tǒng)類加載器

1.1 Bootstrap ClassLoader

Bootstrap ClassLoader用來加載JVM(Java虛擬機)運行時所需要的系統(tǒng)類，其使用c++實現(xiàn)。

從以下路徑來加載類：

1. %JAVA_HOME%/jre/lib目錄，如rt.jar、resources.jar、charsets.jar等
2. 可以在JVM啟動時，指定-Xbootclasspath參數(shù)，來改變Bootstrap ClassLoader的加載目錄。

Java虛擬機的啟動就是通過 Bootstrap ClassLoader創(chuàng)建一個初始類來完成的。 可以通過如下代碼來得出Bootstrap ClassLoader所加載的目錄：

public class ClassLoaderTest {    public static void main(String[]args) {        System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));    }}復制代碼

打印結(jié)果為：

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\rt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\jfr.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\classes復制代碼

可以發(fā)現(xiàn)幾乎都是$JAVA_HOME/jre/lib目錄中的jar包，包括rt.jar、resources.jar和charsets.jar等等。

1.2 Extensions ClassLoader

Extensions ClassLoader（擴展類加載器）具體是由ExtClassLoader類實現(xiàn)的，ExtClassLoader類位于sun.misc.Launcher類中，是其的一個靜態(tài)內(nèi)部類。對于Launcher類，可以先看成是Java虛擬機的一個入口。

ExtClassLoader的部分代碼如下：

Extensions ClassLoader負責將JAVA_HOME/jre/lib/ext或者由系統(tǒng)變量-Djava.ext.dir指定位置中的類庫加載到內(nèi)存中。

通過以下代碼可以得到Extensions ClassLoader加載目錄：

System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));復制代碼

打印結(jié)果為：

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext復制代碼

1.3 App ClassLoader

也稱為SystemAppClass（系統(tǒng)類加載器），具體是由AppClassLoader類實現(xiàn)的，AppClassLoader類也位于sun.misc.Launcher類中。

部分代碼如下：

1. 主要加載Classpath目錄下的的所有jar和Class文件，是程序中的默認類加載器。這里的Classpath是指我們Java工程的bin目錄。
2. 也可以加載通過-Djava.class.path選項所指定的目錄下的jar和Class文件。

通過以下代碼可以得到App ClassLoader加載目錄：

System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));復制代碼

打印結(jié)果為：

C:\workspace\Demo\bin復制代碼

這個路徑其實就是當前Java工程目錄bin，里面存放的是編譯生成的class文件。

在Java中，除了上述的3種系統(tǒng)提供的類加載器，還可以自定義一個類加載器。

1.4. 自定義類加載器

為了可以從指定的目錄下加載jar包或者class文件，我們可以用繼承java.lang.ClassLoader類的方式來實現(xiàn)一個自己的類加載器。

在自定義類加載器時，我們一般復寫findClass方法，并在findClass方法中調(diào)用defineClass方法。

接下來會先介紹下ClassLoader類相關(guān)的具體內(nèi)容，之后看一個自定義類加載器demo。

2 java.lang.ClassLoader類

2.1 ClassLoader、URLClassLoader與SecureClassLoader的關(guān)系

從上面關(guān)于ExtClassLoader、AppClassLoader源碼圖中我們可以看到，他們都繼承自URLClassLoader，那這個URLClassLoader是什么，其背后又有什么呢？

先來一張很重要的繼承關(guān)系圖：

• ClassLoader是一個抽象類，位于java.lang包下，其中定義了ClassLoader的主要功能。
• SecureClassLoader繼承了抽象類ClassLoader，但SecureClassLoader并不是ClassLoader的實現(xiàn)類，而是拓展了ClassLoader類加入了權(quán)限方面的功能，加強了ClassLoader的安全性。
• URLClassLoader繼承自SecureClassLoader，用來通過URl路徑從jar文件和文件夾中加載類和資源。
• ExtClassLoader和AppClassLoader都繼承自URLClassLoader，它們都是Launcher 的內(nèi)部類，Launcher 是Java虛擬機的入口應用，ExtClassLoader和AppClassLoader都是在Launcher中進行初始化的。

2.2 普通的類、AppClassLoader與ExtClassLoader之間的關(guān)系

關(guān)系：

• 加載普通的類（這里指得是我們所編寫的代碼類，下文demo中的Test類）加載器是AppClassLoader，AppClassLoader的父加載器為ExtClassLoader
• 而ExtClassLoader的父加載器是Bottstrap ClassLoader

還有2個結(jié)論：

• 每個類都有類加載器
• 每個類加載器都有父加載器

我們準備一個簡單的demo 自建的一個Test.java文件。

public class Test{}復制代碼

public class Main {    public static void main(String[] args) {ClassLoader cl = Test.class.getClassLoader();System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());}}復制代碼

這樣就可以獲取到Test.class文件的類加載器，然后打印出來。結(jié)果是：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@75b83e92復制代碼

也就是說明Test.class文件是由AppClassLoader加載的。

那AppClassLoader是誰加載的呢？ 其實AppClassLoader也有一個父加載器，我們可以通過以下代碼獲取

public class Test {    public static void main(String[] args) {        ClassLoader loader = Test.class.getClassLoader();        while (loader != null) {            System.out.println(loader);            loader = loader.getParent();        }    }}復制代碼

上述代碼結(jié)果如下：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@7565783bsun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b586d23復制代碼

• 加載Test的類加載器是AppClassLoader，AppClassLoader的父加載器為ExtClassLoader
• 而ExtClassLoader的父加載器是Bottstrap ClassLoader

至于為何沒有打印出ExtClassLoader的父加載器Bootstrap ClassLoader，這是因為Bootstrap ClassLoader是由C++編寫的，并不是一個Java類，因此我們無法在Java代碼中獲取它的引用。

2.3 java.lang.ClassLoader類常見的方法

上一節(jié)我們看到了ClassLoader的getParent方法，getParent獲取到的其實就是其父加載器。這一節(jié)將通過源碼，來介紹ClassLoader中的一些重要方法。

getParent()

ClassLoader類---------public final ClassLoader getParent() {    if (parent == null) return null;    SecurityManager sm = System.getSecurityManager();    if (sm != null) {        checkClassLoaderPermission(parent, Reflection.getCallerClass());    }    return parent;}復制代碼

我們可以看到，其返回值有兩種可能，為空或者是parent變量。

從源碼中還可以發(fā)現(xiàn)其是一個final修飾的方法，我們知道被final修飾的說明這個方法提供的功能已經(jīng)滿足當前要求，是不可以重寫的， 所以其各個子類所調(diào)用的getParent()方法最終都會由ClassLoader來處理。

parent變量又是什么呢？我們在查看源碼時可以發(fā)現(xiàn)parent的賦值是在構(gòu)造方法中。

ClassLoader類---------private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {    this.parent = parent;    ... //省略了無關(guān)代碼}復制代碼

而此構(gòu)造方法又是私有的，不能被外部調(diào)用，所以其調(diào)用者還是在內(nèi)部。于是接著查找到了另外兩個構(gòu)造方法。

ClassLoader類---------protected ClassLoader() {    this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());}    protected ClassLoader(ClassLoader parent) {    this(checkCreateClassLoader(), parent);}復制代碼

所以：

1. 可以在調(diào)用ClassLoder的構(gòu)造方法時，指定一個parent。
2. 若沒有指定的話，會使用getSystemClassLoader()方法的返回值。

接著看上面代碼中的getSystemClassLoader的源碼：

ClassLoader類---------public static ClassLoader getSystemClassLoader() {    initSystemClassLoader();    if (scl == null) {        return null;    }    SecurityManager sm = System.getSecurityManager();    if (sm != null) {        checkClassLoaderPermission(scl, Reflection.getCallerClass());    }    return scl;}復制代碼

其返回的是一個scl。在initSystemClassLoader()方法中發(fā)現(xiàn)了對scl變量的賦值。

ClassLoader類---------private static synchronized void initSystemClassLoader() {    if (!sclSet) {        if (scl != null)            throw new IllegalStateException("recursive invocation");        sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher(); //1        if (l != null) {            Throwable oops = null;            scl = l.getClassLoader();            ...//省略代碼        }        sclSet = true;    }}復制代碼

重點來了，注釋1處其獲取到的是Launcher類的對象，然后調(diào)用了Launcher類的getClassLoader()方法。

Launcher類---------public ClassLoader getClassLoader() {    return this.loader;}復制代碼

那這個this.loader是什么呢？在Launcher類中發(fā)現(xiàn)，其賦值操作在Launcher的構(gòu)造方法中，其值正是Launcher類中的AppClassLoader：

Launcher類---------public Launcher() {    Launcher.ExtClassLoader var1;    try {        var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();    } catch (IOException var10) {        throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);    }    try {        this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);    } catch (IOException var9) {        throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);    }    ...}復制代碼

到這里謎團全部解開了：

在創(chuàng)建ClassLoder時，

1. 可以指定一個ClassLoder作為其parent，也就是其父加載器。
2. 若沒有指定的話，會使用getSystemClassLoader()方法的返回值（也就是Launcher類中的AppClassLoader）作為其parent。
3. 通過getParent()方法可以獲取到這個父加載器。

defineClass()

能將class二進制內(nèi)容轉(zhuǎn)換成Class對象，如果不符合要求的會拋出異常，例如ClassFormatError、NoClassDefFoundError。

在自定義ClassLoader時，我們通常會先將特定的文件讀取成byte[]對象，再使用此方法，將其轉(zhuǎn)為class對象。

ClassLoader類---------/*** String name：表示預期的二進制文件名稱，不知道的話，可以填null。* byte[] b：此class文件的二進制數(shù)據(jù)* int off：class二進制數(shù)據(jù)開始的位置* int len：class二進制數(shù)據(jù)的總長度*/protected final Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)    throws ClassFormatError{    return defineClass(name, b, off, len, null);}protected final Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len, ProtectionDomain protectionDomain)    throws ClassFormatError{    protectionDomain = preDefineClass(name, protectionDomain);    String source = defineClassSourceLocation(protectionDomain);    Class c = defineClass1(name, b, off, len, protectionDomain, source);    postDefineClass(c, protectionDomain);    return c;}復制代碼

findClass()

findClass()方法一般被loadClass()方法調(diào)用去加載指定名稱類。

ClassLoader類---------/*** String name：class文件的名稱*/protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {    throw new ClassNotFoundException(name);} 復制代碼

通過源碼看到ClassLoader類中并沒有具體的邏輯，而是等待著其子類去實現(xiàn)，通過上面的分析我們知道兩個系統(tǒng)類加載器ExtClassLoader和AppClassLoader都繼承自URLClassLoader，那就來看一下URLClassLoader中的具體代碼。

URLClassLoader類---------protected Class findClass(final String name) throws ClassNotFoundException{    final Class result;    try {        result = AccessController.doPrivileged(            new PrivilegedExceptionAction>() {                public Class run() throws ClassNotFoundException {                    String path = name.replace('.', '/').concat(".class");                    Resource res = ucp.getResource(path, false);                    if (res != null) {                        try {                            return defineClass(name, res);                        } catch (IOException e) {                            throw new ClassNotFoundException(name, e);                        }                        ...    return result;}private Class defineClass(String name, Resource res) throws IOException {    ...    URL url = res.getCodeSourceURL();    ...    java.nio.ByteBuffer bb = res.getByteBuffer();    if (bb != null) {        ...        return defineClass(name, bb, cs);    } else {        byte[] b = res.getBytes();        ...        return defineClass(name, b, 0, b.length, cs);    }}復制代碼

可以看到其對傳入的name進行處理后，就調(diào)用了defineClass(name, res)；在這個方法里主要是通過res資源和url，加載出相應格式的文件，最終還是通過ClassLoader的defineClass方法加載出具體的類。

loadClass()

上節(jié)說到findClass()一般是在loadClass()中調(diào)用，那loadClass()是什么呢？ 其實loadClass()就是雙親委托機制的具體實現(xiàn)，所以在我們先介紹下雙親委托機制后，再來分析loadClass()。

3 雙親委托機制介紹

3.1 圖解雙親委托機制

先簡單介紹下雙親委托機制： 類加載器查找Class（也就是在loadClass時）所采用的是雙親委托模式，所謂雙親委托模式就是

1. 首先判斷該Class是否已經(jīng)加載
2. 如果沒有則不是自身去查找而是委托給父加載器進行查找，這樣依次的進行遞歸，直到委托到最頂層的Bootstrap ClassLoader
3. 如果Bootstrap ClassLoader找到了該Class，就會直接返回
4. 如果沒找到，則繼續(xù)依次向下查找，如果還沒找到則最后會交由自身去查找

（圖片來自http://liuwangshu.cn/application/classloader/1-java-classloader-.html）

• 其中紅色的箭頭代表向上委托的方向，如果當前的類加載器沒有從緩存中找到這個class對象，就會請求父加載器進行操作。直到Bootstrap ClassLoader。
• 而黑色的箭頭代表的是查找方向，若Bootstrap ClassLoader可以從%JAVA_HOME%/jre/lib目錄或者-Xbootclasspath指定目錄查找到，就直接返回該對象，否則就讓ExtClassLoader去查找。
• ExtClassLoader就會從JAVA_HOME/jre/lib/ext或者-Djava.ext.dir指定位置中查找，找不到時就交給AppClassLoader，AppClassLoader就從當前工程的bin目錄下查找
• 若還是找不到的話，就由我們自定義的CustomClassLoader查找，具體查找的結(jié)果，就要看我們怎么實現(xiàn)自定義ClassLoader的findClass方法了。

3.2 源碼分析雙親委托機制

接下來我們看看雙親委托機制在源碼中是如何體現(xiàn)的。 先看loadClass的源碼：

ClassLoader類---------protected Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {        //首先，根據(jù)name檢查類是否已經(jīng)加載，若已加載，會直接返回        Class c = findLoadedClass(name);        if (c == null) {            long t0 = System.nanoTime();            try {                if (parent != null) {                    //若當前類加載器有父加載器，則調(diào)用其父加載器的loadClass()                    c = parent.loadClass(name, false);                } else {                    //若當前類加載器的parent為空，則調(diào)用findBootstrapClassOrNull()                    c = findBootstrapClassOrNull(name);                }            } catch (ClassNotFoundException e) {            }                    if (c == null) {                // 1.如果到這里c依然為空的話，表示一直到最頂層的父加載器也沒有找到已加載的c，那就會調(diào)用findClass進行查找                // 2.在findClass的過程中，如果指定目錄下沒有，就會拋出異常ClassNotFoundException                // 3.拋出異常后，此層調(diào)用結(jié)束，接著其子加載器繼續(xù)進行findClass操作                long t1 = System.nanoTime();                c = findClass(name);                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();            }        }        if (resolve) {            resolveClass(c);        }        return c;    }}復制代碼

findBootstrapClassOrNull()方法：可以看到其對name進行校驗后，最終調(diào)用了一個native方法findBootstrapClass()。在findBootstrapClass()方法中最終會用Bootstrap Classloader來查找類。

ClassLoader類---------private Class findBootstrapClassOrNull(String name){    if (!checkName(name)) return null;    return findBootstrapClass(name);}    private native Class findBootstrapClass(String name);復制代碼

4 常見的問題

4.1 為什么使用雙親委托機制？

1. 避免重復加載，如果已經(jīng)加載過一次Class，就不需要再次加載，而是先從緩存中直接讀取。
2. 安全方面的考慮，如果不使用雙親委托模式，就可以自定義一個String類來替代系統(tǒng)的String類，這樣便會造成安全隱患，采用雙親委托模式會使得系統(tǒng)的String類在Java虛擬機啟動時就被加載，也就無法自定義String類來替代系統(tǒng)的String類。

4.2 由不同的類加載器加載的類會被JVM當成同一個類嗎？

不會。 在Java中，我們用包名+類名作為一個類的標識。 但在JVM中，一個類用其包名+類名和一個ClassLoader的實例作為唯一標識，不同類加載器加載的類將被置于不同的命名空間.

通過一個demo來看，

1. 用兩個自定義類加載器去加載一個自定義的類
2. 然后獲取到的Class進行java.lang.Object.equals（…）判斷。

public class Main {    public static void main(String[] args) {            ClassLoaderTest myClassLoader = new ClassLoaderTest("F:\\");        ClassLoaderTest myClassLoader2 = new ClassLoaderTest("F:\\");        try {            Class c = myClassLoader.loadClass("com.example.Hello");            Class c2 = myClassLoader.loadClass("com.example.Hello");            Class c3 = myClassLoader2.loadClass("com.example.Hello");            System.out.println(c.equals(c2)); //true            System.out.println(c.equals(c3)); //flase    }}復制代碼

輸出結(jié)果：

truefalse復制代碼

只有兩個類名一致并且被同一個類加載器加載的類，Java虛擬機才會認為它們是同一個類。

上面demo中用到的自定義ClassLoader：

自定義的類加載器注意點：1.覆寫findClass方法2.讓其可以根據(jù)name從我們指定的path中加載文件，也就是將文件正確轉(zhuǎn)為byte[]格式3.使用defineClass方法將byte[]數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為Class對象-------------public class ClassLoaderTest extends ClassLoader{    private String path;    public ClassLoaderTest(String path) {        this.path = path;    }    @Override    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {        Class clazz = null;        byte[] classData = classToBytes(name);        if (classData == null) {            throw new ClassNotFoundException();        } else {            clazz= defineClass(name, classData, 0, classData.length);        }        return clazz;    }    private byte[] classToBytes(String name) {        String fileName = getFileName(name);        File file = new File(path,fileName);        InputStream in=null;        ByteArrayOutputStream out=null;        try {            in = new FileInputStream(file);            out = new ByteArrayOutputStream();            byte[] buffer = new byte[1024];            int length=0;            while ((length = in.read(buffer)) != -1) {                out.write(buffer, 0, length);            }            return out.toByteArray();        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }finally {            try {                if(in!=null) {                    in.close();                }            } catch (IOException e) {                e.printStackTrace();            }            try{                if(out!=null) {                    out.close();                }            }catch (IOException e){                e.printStackTrace();            }        }        return null;    }    private String getFileName(String name) {        int index = name.lastIndexOf('.');        if(index == -1){            return name+".class";        }else{            return name.substring(index+1)+".class";        }    }}復制代碼

結(jié)語

到此Java的類加載器以及雙親委托機制都講了個大概，如果文中有錯誤的地方、或者有其他關(guān)于類加載器比較重要的內(nèi)容又沒有介紹到的，歡迎在評論區(qū)里留言，一起交流學習。

作者：某人Valar
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來源：掘金
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