java类加载器 classLoader原理解析

素颜马尾好姑娘i 2022-06-12 08:57 271阅读 0赞

### 一、classLoader说明 ###

目前主的JAVA应用都是由若干个.class文件组织而成的，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提供的相关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，一般位于%JRE\_HOME%\\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar和class等。另外也可以通过启动jvm时指定-Xbootclasspath和路径来改变Bootstrap ClassLoader的加载目录。比如`java -Xbootclasspath/a:path`被指定的文件追加到默认的bootstrap路径中。

**2、Extention ClassLoader** 扩展的类加载器，加载目录%JRE\_HOME%\\lib\\ext目录下的jar包和class文件。还可以加载`-D java.ext.dirs`选项指定的目录。

**3、Appclass Loader也称为SystemAppClass** 加载当前应用的classpath的所有类。

4、以上三个类加载器加载顺序，可以参看jdk源码Launcher类。下面截取初始化部分的代码：

public class Launcher {
        private static URLStreamHandlerFactory factory = new Launcher.Factory();
        private static Launcher launcher = new Launcher();
        
        //1、初始化BootStrap ClassLoader
        private static String bootClassPath = System.getProperty("sun.boot.class.path");
        private ClassLoader loader;
        private static URLStreamHandler fileHandler;
    
        public static Launcher getLauncher() {
            return launcher;
        }
    
        public Launcher() {
            Launcher.ExtClassLoader var1;
            try {
            //2、初始化Extention ClassLoader类加载器
               var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
            } catch (IOException var10) {
                throw new InternalError("Could not create extension class loader");
            }
    
            try {
            //3、初始化Appclass Loader
                this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
            } catch (IOException var9) {
                throw new InternalError("Could not create application class loader");
            }
    
            Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
            String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
            if(var2 != null) {
                SecurityManager var3 = null;
                if(!"".equals(var2) && !"default".equals(var2)) {
                    try {
                        var3 = (SecurityManager)this.loader.loadClass(var2).newInstance();
                    } catch (IllegalAccessException var5) {
                        ;
                    } catch (InstantiationException var6) {
                        ;
                    } catch (ClassNotFoundException var7) {
                        ;
                    } catch (ClassCastException var8) {
                        ;
                    }
                } else {
                    var3 = new SecurityManager();
                }
    
                if(var3 == null) {
                    throw new InternalError("Could not create SecurityManager: " + var2);
                }
    
                System.setSecurityManager(var3);
            }
    
        }

由上面源码可以看出，类的加载顺序为： Bootstrap CLassloder  > Extention ClassLoader  > AppClassLoader

**注意：** 除了Java默认提供的三个ClassLoader之外，用户也定义自已的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。

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## 三、ClassLoader加载类的原理 ##

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。

### 1、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][Link 1]。

## **2、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。

**3、双亲委托模型结构图**

![Center][]

**4、类加载流程验证**

ClassLoader classLoader = ClassLoderDemo.class.getClassLoader();
    
            while (classLoader!=null){
                System.out.println(classLoader);
                classLoader=classLoader.getParent();
            }
            System.out.println(classLoader);

输出结果:

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@20e90906  
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@234f79cb  
null

第一行结果说明：ClassLoaderDemo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。

**5、常见的破坏双亲委托模型实例**

JNDI服务：JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找，它需要调用独立厂商实现部部署在应用程序的classpath下的JNDI接口提供者(SPI, Service Provider Interface)的代码。因此，为了破坏这种双亲委派机制，在启动类里也能够使用系统类加载器对类进行加载，Java设计了线程上下文加载器。在核心类进行类加载时，可以读取当前线程的线程上下文加载器，使用该加载器加载实现了SPI接口的类。Java中所有涉及SPI的加载动作基本上都采用这种方式，例如JNDI,JDBC,JCE,JAXB和JBI等

tomcat:WebappClassLoader内部重写了loadClass和findClass方法，实现了绕过“双亲委派”直接加载web应用内部的资源，当然可以通过在Context.xml文件中加上开启正统的“双亲委派”加载机制

[Link 1]: http://lib.csdn.net/base/datastructure
[Center]: /images/20220612/a33bf7bd88934fa08997f6fc7f1491d9.png