java中的ClassLoader详解

骑猪看日落 2022-05-21 11:59 186阅读 0赞

ClassLoader翻译过来就是类加载器，普通的java开发者其实用到的不多，但对于某些框架开发者来说却非常常见。理解ClassLoader的加载机制，也有利于我们编写出更高效的代码。ClassLoader的具体作用就是将class文件加载到jvm虚拟机中去，程序就可以正确运行了。但是，jvm启动的时候，并不会一次性加载所有的class文件，而是根据需要去动态加载。想想也是的，一次性加载那么多jar包那么多class，那内存不崩溃。本文的目的也是学习ClassLoader这种加载机制。

备注：本文篇幅比较长，但内容简单，大家不要恐慌，安静地耐心翻阅就是([转载地址)][Link 1]

# Class文件的认识 #

我们都知道在Java中程序是运行在虚拟机中，我们平常用文本编辑器或者是IDE编写的程序都是.java格式的文件，这是最基础的源码，但这类文件是不能直接运行的。如我们编写一个简单的程序HelloWorld.java

public class HelloWorld{
        
    
        public static void main(String[] args){
            System.out.println("Hello world!");
        }
    }

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如图：  
![这里写图片描述][SouthEast]  
然后，我们需要在命令行中进行java文件的编译

javac HelloWorld.java

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![这里写图片描述][SouthEast 1]  
可以看到目录下生成了.class文件

我们再从命令行中执行命令：

java HelloWorld

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![这里写图片描述][SouthEast 2]

上面是基本代码示例，是所有入门JAVA语言时都学过的东西，这里重新拿出来是想让大家将焦点回到class文件上，class文件是字节码格式文件，java虚拟机并不能直接识别我们平常编写的.java源文件，所以需要javac这个命令转换成.class文件。另外，如果用C或者PYTHON编写的程序正确转换成.class文件后，java虚拟机也是可以识别运行的。更多信息大家可以参考[这篇][Link 2]。

了解了.class文件后，我们再来思考下，我们平常在Eclipse中编写的java程序是如何运行的，也就是我们自己编写的各种类是如何被加载到jvm(java虚拟机)中去的。

# 你还记得java环境变量吗？ #

初学java的时候，最害怕的就是下载JDK后要配置环境变量了，关键是当时不理解，所以战战兢兢地照着书籍上或者是网络上的介绍进行操作。然后下次再弄的时候，又忘记了而且是必忘。当时，心里的想法很气愤的，想着是–这东西一点也不人性化，为什么非要自己配置环境变量呢？太不照顾菜鸟和新手了，很多菜鸟就是因为卡在环境变量的配置上，遭受了太多的挫败感。

因为我是在Windows下编程的，所以只讲Window平台上的环境变量，主要有3个：JAVA\_HOME、PATH、CLASSPATH。

## JAVA\_HOME ##

指的是你JDK安装的位置，一般默认安装在C盘，如

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_91

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## PATH ##

将程序路径包含在PATH当中后，在命令行窗口就可以直接键入它的名字了，而不再需要键入它的全路径,比如上面代码中我用的到`javac`和`java`两个命令。  
一般的

PATH=%JAVA_HOME%\bin;%JAVA_HOME%\jre\bin;%PATH%;

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也就是在原来的PATH路径上添加JDK目录下的bin目录和jre目录的bin.

## CLASSPATH ##

CLASSPATH=.;%JAVA_HOME%\lib;%JAVA_HOME%\lib\tools.jar

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一看就是指向jar包路径。  
需要注意的是前面的`.;`，`.`代表当前目录。

## 环境变量的设置与查看 ##

设置可以右击我的电脑，然后点击属性，再点击高级，然后点击环境变量，具体不明白的自行查阅文档。

查看的话可以打开命令行窗口

echo %JAVA_HOME%
    
    echo %PATH%
    
    echo %CLASSPATH%

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好了，扯远了，知道了环境变量，特别是CLASSPATH时，我们进入今天的主题Classloader.

# JAVA类加载流程 #

Java语言系统自带有三个类加载器:  
\- Bootstrap ClassLoader 最顶层的加载类，主要加载核心类库，%JRE\_HOME%\\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar和class等。另外需要注意的是可以通过启动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。我们可以打开我的电脑，在上面的目录下查看，看看这些jar包是不是存在于这个目录。  
\- 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。  
\- Appclass Loader也称为SystemAppClass 加载当前应用的classpath的所有类。

我们上面简单介绍了3个ClassLoader。说明了它们加载的路径。并且还提到了`-Xbootclasspath`和`-D java.ext.dirs`这两个虚拟机参数选项。

## 加载顺序？ ##

我们看到了系统的3个类加载器，但我们可能不知道具体哪个先行呢？  
我可以先告诉你答案  
1. Bootstrap CLassloder  
2. Extention ClassLoader  
3. AppClassLoader

为了更好的理解，我们可以查看源码。  
看[sun.misc.Launcher][],它是一个java虚拟机的入口应用。

public class Launcher {
        
        private static Launcher launcher = new Launcher();
        private static String bootClassPath =
            System.getProperty("sun.boot.class.path");
    
        public static Launcher getLauncher() {
            return launcher;
        }
    
        private ClassLoader loader;
    
        public Launcher() {
            // Create the extension class loader
            ClassLoader extcl;
            try {
                extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
            } catch (IOException e) {
                throw new InternalError(
                    "Could not create extension class loader", e);
            }
    
            // Now create the class loader to use to launch the application
            try {
                loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
            } catch (IOException e) {
                throw new InternalError(
                    "Could not create application class loader", e);
            }
    
            //设置AppClassLoader为线程上下文类加载器，这个文章后面部分讲解
            Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
        }
    
        /*
         * Returns the class loader used to launch the main application.
         */
        public ClassLoader getClassLoader() {
            return loader;
        }
        /*
         * The class loader used for loading installed extensions.
         */
        static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {}
    
    /**
         * The class loader used for loading from java.class.path.
         * runs in a restricted security context.
         */
        static class AppClassLoader extends URLClassLoader {}

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源码有精简，我们可以得到相关的信息。  
1. Launcher初始化了ExtClassLoader和AppClassLoader。  
2. Launcher中并没有看见BootstrapClassLoader，但通过`System.getProperty("sun.boot.class.path")`得到了字符串`bootClassPath`,这个应该就是BootstrapClassLoader加载的jar包路径。

我们可以先代码测试一下`sun.boot.class.path`是什么内容。

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

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得到的结果是：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\resources.jar;
    C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\rt.jar;
    C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\sunrsasign.jar;
    C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jsse.jar;
    C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jce.jar;
    C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\charsets.jar;
    C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\jfr.jar;
    C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\classes

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可以看到，这些全是JRE目录下的jar包或者是class文件。

### ExtClassLoader源码 ###

如果你有足够的好奇心，你应该会对它的源码感兴趣

/*
         * The class loader used for loading installed extensions.
         */
        static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
    
            static {
                ClassLoader.registerAsParallelCapable();
            }
    
            /**
             * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created
             * within a context that limits which files it can read
             */
            public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException
            {
                final File[] dirs = getExtDirs();
    
                try {
                    // Prior implementations of this doPrivileged() block supplied
                    // aa synthesized ACC via a call to the private method
                    // ExtClassLoader.getContext().
    
                    return AccessController.doPrivileged(
                        new PrivilegedExceptionAction<ExtClassLoader>() {
                            public ExtClassLoader run() throws IOException {
                                int len = dirs.length;
                                for (int i = 0; i < len; i++) {
                                    MetaIndex.registerDirectory(dirs[i]);
                                }
                                return new ExtClassLoader(dirs);
                            }
                        });
                } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {
                    throw (IOException) e.getException();
                }
            }
    
            private static File[] getExtDirs() {
                String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
                File[] dirs;
                if (s != null) {
                    StringTokenizer st =
                        new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
                    int count = st.countTokens();
                    dirs = new File[count];
                    for (int i = 0; i < count; i++) {
                        dirs[i] = new File(st.nextToken());
                    }
                } else {
                    dirs = new File[0];
                }
                return dirs;
            }
    
    ......
        }

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我们先前的内容有说过，可以指定`-D java.ext.dirs`参数来添加和改变ExtClassLoader的加载路径。这里我们通过可以编写测试代码。

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

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结果如下：

C:\Program Files\Java\jre1.8.0_91\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

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### AppClassLoader源码 ###

/**
         * The class loader used for loading from java.class.path.
         * runs in a restricted security context.
         */
        static class AppClassLoader extends URLClassLoader {
    
    
            public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader extcl)
                throws IOException
            {
                final String s = System.getProperty("java.class.path");
                final File[] path = (s == null) ? new File[0] : getClassPath(s);
    
    
                return AccessController.doPrivileged(
                    new PrivilegedAction<AppClassLoader>() {
                        public AppClassLoader run() {
                        URL[] urls =
                            (s == null) ? new URL[0] : pathToURLs(path);
                        return new AppClassLoader(urls, extcl);
                    }
                });
            }
    
            ......
        }

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可以看到AppClassLoader加载的就是`java.class.path`下的路径。我们同样打印它的值。

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

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结果：

D:\workspace\ClassLoaderDemo\bin

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这个路径其实就是当前java工程目录bin，里面存放的是编译生成的class文件。

好了，自此我们已经知道了BootstrapClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader实际是查阅相应的环境属性`sun.boot.class.path`、`java.ext.dirs`和`java.class.path`来加载资源文件的。

接下来我们探讨它们的加载顺序，我们先用Eclipse建立一个java工程。  
![这里写图片描述][SouthEast 3]  
然后创建一个`Test.java`文件。

public class Test{
        }

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然后，编写一个ClassLoaderTest.java文件。

public class ClassLoaderTest {
        
    
        public static void main(String[] args) {
            // TODO Auto-generated method stub
    
            ClassLoader cl = Test.class.getClassLoader();
    
            System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());
    
        }
    
    }

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我们获取到了Test.class文件的类加载器，然后打印出来。结果是：

ClassLoader is:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93

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也就是说明Test.class文件是由AppClassLoader加载的。

这个Test类是我们自己编写的，那么int.class或者是String.class的加载是由谁完成的呢？  
我们可以在代码中尝试

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运行一下，却报错了

ClassLoader is:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93
    Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
        at ClassLoaderTest.main(ClassLoaderTest.java:15)

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提示的是空指针，意思是int.class这类基础类没有类加载器加载？

当然不是！  
int.class是由Bootstrap ClassLoader加载的。要想弄明白这些，我们首先得知道一个前提。

### 每个类加载器都有一个父加载器 ###

每个类加载器都有一个父加载器，比如加载Test.class是由AppClassLoader完成，那么AppClassLoader也有一个父加载器，怎么样获取呢？很简单，通过getParent方法。比如代码可以这样编写：

ClassLoader cl = Test.class.getClassLoader();
    
    System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());
    System.out.println("ClassLoader\'s parent is:"+cl.getParent().toString());

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运行结果如下：

ClassLoader is:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93
    ClassLoader's parent is:sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@15db9742

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这个说明，AppClassLoader的父加载器是ExtClassLoader。那么ExtClassLoader的父加载器又是谁呢？

System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());
    System.out.println("ClassLoader\'s parent is:"+cl.getParent().toString());
    System.out.println("ClassLoader\'s grand father is:"+cl.getParent().getParent().toString());

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运行如果：

ClassLoader is:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93
    Exception in thread "main" ClassLoader's parent is:sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@15db9742
    java.lang.NullPointerException
        at ClassLoaderTest.main(ClassLoaderTest.java:13)

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又是一个空指针异常，这表明ExtClassLoader也没有父加载器。那么，为什么标题又是每一个加载器都有一个父加载器呢？这不矛盾吗？为了解释这一点，我们还需要看下面的一个基础前提。

## 父加载器不是父类 ##

我们先前已经粘贴了ExtClassLoader和AppClassLoader的代码。

static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {}
    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {}

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可以看见ExtClassLoader和AppClassLoader同样继承自URLClassLoader，但上面一小节代码中，为什么调用AppClassLoader的`getParent()`代码会得到ExtClassLoader的实例呢？先从URLClassLoader说起，这个类又是什么？  
先上一张类的继承关系图  
![这里写图片描述][SouthEast 4]

URLClassLoader的源码中并没有找到`getParent()`方法。这个方法在ClassLoader.java中。

public abstract class ClassLoader {
        
    
    // The parent class loader for delegation
    // Note: VM hardcoded the offset of this field, thus all new fields
    // must be added *after* it.
    private final ClassLoader parent;
    // The class loader for the system
        // @GuardedBy("ClassLoader.class")
    private static ClassLoader scl;
    
    private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
        this.parent = parent;
        ...
    }
    protected ClassLoader(ClassLoader parent) {
        this(checkCreateClassLoader(), parent);
    }
    protected ClassLoader() {
        this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
    }
    public final ClassLoader getParent() {
        if (parent == null)
            return null;
        return parent;
    }
    public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
        initSystemClassLoader();
        if (scl == null) {
            return null;
        }
        return scl;
    }
    
    private static synchronized void initSystemClassLoader() {
        if (!sclSet) {
            if (scl != null)
                throw new IllegalStateException("recursive invocation");
            sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher();
            if (l != null) {
                Throwable oops = null;
                //通过Launcher获取ClassLoader
                scl = l.getClassLoader();
                try {
                    scl = AccessController.doPrivileged(
                        new SystemClassLoaderAction(scl));
                } catch (PrivilegedActionException pae) {
                    oops = pae.getCause();
                    if (oops instanceof InvocationTargetException) {
                        oops = oops.getCause();
                    }
                }
                if (oops != null) {
                    if (oops instanceof Error) {
                        throw (Error) oops;
                    } else {
                        // wrap the exception
                        throw new Error(oops);
                    }
                }
            }
            sclSet = true;
        }
    }
    }

我们可以看到`getParent()`实际上返回的就是一个ClassLoader对象parent，parent的赋值是在ClassLoader对象的构造方法中，它有两个情况：  
1. 由外部类创建ClassLoader时直接指定一个ClassLoader为parent。  
2. 由`getSystemClassLoader()`方法生成，也就是在sun.misc.Laucher通过`getClassLoader()`获取，也就是AppClassLoader。直白的说，一个ClassLoader创建时如果没有指定parent，那么它的parent默认就是AppClassLoader。

我们主要研究的是ExtClassLoader与AppClassLoader的parent的来源，正好它们与Launcher类有关，我们上面已经粘贴过Launcher的部分代码。

public class Launcher {
        
        private static URLStreamHandlerFactory factory = new Factory();
        private static Launcher launcher = new Launcher();
        private static String bootClassPath =
            System.getProperty("sun.boot.class.path");
    
        public static Launcher getLauncher() {
            return launcher;
        }
    
        private ClassLoader loader;
    
        public Launcher() {
            // Create the extension class loader
            ClassLoader extcl;
            try {
                extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
            } catch (IOException e) {
                throw new InternalError(
                    "Could not create extension class loader", e);
            }
    
            // Now create the class loader to use to launch the application
            try {
            //将ExtClassLoader对象实例传递进去
                loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
            } catch (IOException e) {
                throw new InternalError(
                    "Could not create application class loader", e);
            }
    
    public ClassLoader getClassLoader() {
            return loader;
        }
    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
    
            /**
             * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created
             * within a context that limits which files it can read
             */
            public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException
            {
                final File[] dirs = getExtDirs();
    
                try {
                    // Prior implementations of this doPrivileged() block supplied
                    // aa synthesized ACC via a call to the private method
                    // ExtClassLoader.getContext().
    
                    return AccessController.doPrivileged(
                        new PrivilegedExceptionAction<ExtClassLoader>() {
                            public ExtClassLoader run() throws IOException {
                                //ExtClassLoader在这里创建
                                return new ExtClassLoader(dirs);
                            }
                        });
                } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {
                    throw (IOException) e.getException();
                }
            }
    
    
            /*
             * Creates a new ExtClassLoader for the specified directories.
             */
            public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
                super(getExtURLs(dirs), null, factory);
    
            }
            }
     }

我们需要注意的是

ClassLoader extcl;
    
    extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
    
    loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);

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代码已经说明了问题AppClassLoader的parent是一个ExtClassLoader实例。

ExtClassLoader并没有直接找到对parent的赋值。它调用了它的父类也就是URLClassLoder的构造方法并传递了3个参数。

public ExtClassLoader(File[] dirs) throws IOException {
                super(getExtURLs(dirs), null, factory);   
    }

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对应的代码

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

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答案已经很明了了，ExtClassLoader的parent为null。

上面张贴这么多代码也是为了说明AppClassLoader的parent是ExtClassLoader，ExtClassLoader的parent是null。这符合我们之前编写的测试代码。

不过，细心的同学发现，还是有疑问的我们只看到ExtClassLoader和AppClassLoader的创建，那么BootstrapClassLoader呢？

还有，ExtClassLoader的父加载器为null,但是Bootstrap CLassLoader却可以当成它的父加载器这又是为何呢？

我们继续往下进行。

## Bootstrap ClassLoader是由C++编写的。 ##

Bootstrap ClassLoader是由C/C++编写的，它本身是虚拟机的一部分，所以它并不是一个JAVA类，也就是无法在java代码中获取它的引用，JVM启动时通过Bootstrap类加载器加载rt.jar等核心jar包中的class文件，之前的int.class,String.class都是由它加载。然后呢，我们前面已经分析了，JVM初始化sun.misc.Launcher并创建Extension ClassLoader和AppClassLoader实例。并将ExtClassLoader设置为AppClassLoader的父加载器。Bootstrap没有父加载器，但是它却可以作用一个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。具体是什么原因，很快就知道答案了。

## 双亲委托 ##

双亲委托。  
我们终于来到了这一步了。  
一个类加载器查找class和resource时，是通过“委托模式”进行的，它首先判断这个class是不是已经加载成功，如果没有的话它并不是自己进行查找，而是先通过父加载器，然后递归下去，直到Bootstrap ClassLoader，如果Bootstrap classloader找到了，直接返回，如果没有找到，则一级一级返回，最后到达自身去查找这些对象。这种机制就叫做双亲委托。  
整个流程可以如下图所示：  
![这里写图片描述][SouthEast 5]  
这张图是用时序图画出来的，不过画出来的结果我却自己都觉得不理想。

大家可以看到2根箭头，蓝色的代表类加载器向上委托的方向，如果当前的类加载器没有查询到这个class对象已经加载就请求父加载器（不一定是父类）进行操作，然后以此类推。直到Bootstrap ClassLoader。如果Bootstrap ClassLoader也没有加载过此class实例，那么它就会从它指定的路径中去查找，如果查找成功则返回，如果没有查找成功则交给子类加载器，也就是ExtClassLoader,这样类似操作直到终点，也就是我上图中的红色箭头示例。  
用序列描述一下：  
1. 一个AppClassLoader查找资源时，先看看缓存是否有，缓存有从缓存中获取，否则委托给父加载器。  
2. 递归，重复第1部的操作。  
3. 如果ExtClassLoader也没有加载过，则由Bootstrap ClassLoader出面，它首先查找缓存，如果没有找到的话，就去找自己的规定的路径下，也就是`sun.mic.boot.class`下面的路径。找到就返回，没有找到，让子加载器自己去找。  
4. Bootstrap ClassLoader如果没有查找成功，则ExtClassLoader自己在`java.ext.dirs`路径中去查找，查找成功就返回，查找不成功，再向下让子加载器找。  
5. ExtClassLoader查找不成功，AppClassLoader就自己查找，在`java.class.path`路径下查找。找到就返回。如果没有找到就让子类找，如果没有子类会怎么样？抛出各种异常。

上面的序列，详细说明了双亲委托的加载流程。我们可以发现委托是从下向上，然后具体查找过程却是自上至下。

我说过上面用时序图画的让自己不满意，现在用框图，最原始的方法再画一次。  
![这里写图片描述][SouthEast 6]

上面已经详细介绍了加载过程，但具体为什么是这样加载，我们还需要了解几个个重要的方法loadClass()、findLoadedClass()、findClass()、defineClass()。

## 重要方法 ##

### loadClass() ###

JDK文档中是这样写的，通过指定的全限定类名加载class，它通过同名的loadClass(String,boolean)方法。

protected Class<?> loadClass(String name,
                                 boolean resolve)
                          throws ClassNotFoundException

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上面是方法原型，一般实现这个方法的步骤是  
1. 执行`findLoadedClass(String)`去检测这个class是不是已经加载过了。  
2. 执行父加载器的`loadClass`方法。如果父加载器为null，则jvm内置的加载器去替代，也就是Bootstrap ClassLoader。这也解释了ExtClassLoader的parent为null,但仍然说Bootstrap ClassLoader是它的父加载器。  
3. 如果向上委托父加载器没有加载成功，则通过`findClass(String)`查找。

如果class在上面的步骤中找到了，参数resolve又是true的话，那么`loadClass()`又会调用`resolveClass(Class)`这个方法来生成最终的Class对象。 我们可以从源代码看出这个步骤。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
            throws ClassNotFoundException
        {
            synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
                // 首先，检测是否已经加载
                Class<?> c = findLoadedClass(name);
                if (c == null) {
                    long t0 = System.nanoTime();
                    try {
                        if (parent != null) {
                            //父加载器不为空则调用父加载器的loadClass
                            c = parent.loadClass(name, false);
                        } else {
                            //父加载器为空则调用Bootstrap Classloader
                            c = findBootstrapClassOrNull(name);
                        }
                    } catch (ClassNotFoundException e) {
                        // ClassNotFoundException thrown if class not found
                        // from the non-null parent class loader
                    }
    
                    if (c == null) {
                        // If still not found, then invoke findClass in order
                        // to find the class.
                        long t1 = System.nanoTime();
                        //父加载器没有找到，则调用findclass
                        c = findClass(name);
    
                        // this is the defining class loader; record the stats
                        sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                        sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                        sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                    }
                }
                if (resolve) {
                    //调用resolveClass()
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }

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代码解释了双亲委托。

另外，要注意的是如果要编写一个classLoader的子类，也就是自定义一个classloader，建议覆盖`findClass()`方法，而不要直接改写`loadClass()`方法。  
另外

if (parent != null) {
        //父加载器不为空则调用父加载器的loadClass
        c = parent.loadClass(name, false);
    } else {
        //父加载器为空则调用Bootstrap Classloader
        c = findBootstrapClassOrNull(name);
    }

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前面说过ExtClassLoader的parent为null，所以它向上委托时，系统会为它指定Bootstrap ClassLoader。

# 自定义ClassLoader #

不知道大家有没有发现，不管是Bootstrap ClassLoader还是ExtClassLoader等，这些类加载器都只是加载指定的目录下的jar包或者资源。如果在某种情况下，我们需要动态加载一些东西呢？比如从D盘某个文件夹加载一个class文件，或者从网络上下载class主内容然后再进行加载，这样可以吗？

如果要这样做的话，需要我们自定义一个classloader。

## 自定义步骤 ##

1.  编写一个类继承自ClassLoader抽象类。
2.  复写它的`findClass()`方法。
3.  在`findClass()`方法中调用`defineClass()`。

### defineClass() ###

这个方法在编写自定义classloader的时候非常重要，它能将class二进制内容转换成Class对象，如果不符合要求的会抛出各种异常。

## 注意点： ##

一个ClassLoader创建时如果没有指定parent，那么它的parent默认就是AppClassLoader。

上面说的是，如果自定义一个ClassLoader，默认的parent父加载器是AppClassLoader，因为这样就能够保证它能访问系统内置加载器加载成功的class文件。

## 自定义ClassLoader示例之DiskClassLoader。 ##

假设我们需要一个自定义的classloader,默认加载路径为`D:\lib`下的jar包和资源。

我们写编写一个测试用的类文件，Test.java

#### Test.java ####

package com.frank.test;
    
    public class Test {
        
    
        public void say(){
            System.out.println("Say Hello");
        }
    
    }

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然后将它编译过年class文件Test.class放到`D:\lib`这个路径下。

#### DiskClassLoader ####

我们编写DiskClassLoader的代码。

import java.io.ByteArrayOutputStream;
    import java.io.File;
    import java.io.FileInputStream;
    import java.io.FileNotFoundException;
    import java.io.IOException;
    
    
    public class DiskClassLoader extends ClassLoader {
        
    
        private String mLibPath;
    
        public DiskClassLoader(String path) {
            // TODO Auto-generated constructor stub
            mLibPath = path;
        }
    
        @Override
        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            // TODO Auto-generated method stub
    
            String fileName = getFileName(name);
    
            File file = new File(mLibPath,fileName);
    
            try {
                FileInputStream is = new FileInputStream(file);
    
                ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
                int len = 0;
                try {
                    while ((len = is.read()) != -1) {
                        bos.write(len);
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
    
                byte[] data = bos.toByteArray();
                is.close();
                bos.close();
    
                return defineClass(name,data,0,data.length);
    
            } catch (IOException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
    
            return super.findClass(name);
        }
    
        //获取要加载 的class文件名
        private String getFileName(String name) {
            // TODO Auto-generated method stub
            int index = name.lastIndexOf('.');
            if(index == -1){ 
                return name+".class";
            }else{
                return name.substring(index+1)+".class";
            }
        }
    
    }

我们在`findClass()`方法中定义了查找class的方法，然后数据通过`defineClass()`生成了Class对象。

#### 测试 ####

现在我们要编写测试代码。我们知道如果调用一个Test对象的say方法，它会输出”Say Hello”这条字符串。但现在是我们把Test.class放置在应用工程所有的目录之外，我们需要加载它，然后执行它的方法。具体效果如何呢？我们编写的DiskClassLoader能不能顺利完成任务呢？我们拭目以待。

import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
    import java.lang.reflect.Method;
    
    public class ClassLoaderTest {
        
    
        public static void main(String[] args) {
            // TODO Auto-generated method stub
    
            //创建自定义classloader对象。
            DiskClassLoader diskLoader = new DiskClassLoader("D:\\lib");
            try {
                //加载class文件
                Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.Test");
    
                if(c != null){
                    try {
                        Object obj = c.newInstance();
                        Method method = c.getDeclaredMethod("say",null);
                        //通过反射调用Test类的say方法
                        method.invoke(obj, null);
                    } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                            | NoSuchMethodException
                            | SecurityException | 
                            IllegalArgumentException | 
                            InvocationTargetException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
    
        }
    
    }

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我们点击运行按钮，结果显示。

![这里写图片描述][SouthEast 7]

可以看到，Test类的say方法正确执行，也就是我们写的DiskClassLoader编写成功。

# 回首 #

讲了这么大的篇幅，自定义ClassLoader才姗姗来迟。 很多同学可能觉得前面有些啰嗦，但我按照自己的思路，我觉得还是有必要的。因为我是围绕一个关键字进行讲解的。

关键字是什么？

## 关键字 路径 ##

*  从开篇的环境变量
 *  到3个主要的JDK自带的类加载器
 *  到自定义的ClassLoader

它们的关联部分就是路径，也就是要加载的class或者是资源的路径。  
BootStrap ClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader都是加载指定路径下的jar包。如果我们要突破这种限制，实现自己某些特殊的需求，我们就得自定义ClassLoader，自已指定加载的路径，可以是磁盘、内存、网络或者其它。

所以，你说路径能不能成为它们的关键字？

当然上面的只是我个人的看法，可能不正确，但现阶段，这样有利于自己的学习理解。

# 自定义ClassLoader还能做什么？ #

突破了JDK系统内置加载路径的限制之后，我们就可以编写自定义ClassLoader，然后剩下的就叫给开发者你自己了。你可以按照自己的意愿进行业务的定制，将ClassLoader玩出花样来。

## 玩出花之Class解密类加载器 ##

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。

下面，我们编写代码。

### 1.定义加密解密协议 ###

加密和解密的协议有很多种，具体怎么定看业务需要。在这里，为了便于演示，我简单地将加密解密定义为异或运算。当一个文件进行异或运算后，产生了加密文件，再进行一次异或后，就进行了解密。

### 2.编写加密工具类 ###

import java.io.File;
    import java.io.FileInputStream;
    import java.io.FileNotFoundException;
    import java.io.FileOutputStream;
    import java.io.IOException;
    
    
    public class FileUtils {
        
    
        public static void test(String path){
            File file = new File(path);
            try {
                FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
                FileOutputStream fos = new FileOutputStream(path+"en");
                int b = 0;
                int b1 = 0;
                try {
                    while((b = fis.read()) != -1){
                        //每一个byte异或一个数字2
                        fos.write(b ^ 2);
                    }
                    fos.close();
                    fis.close();
                } catch (IOException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            } catch (FileNotFoundException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
    }

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我们再写测试代码

FileUtils.test("D:\\lib\\Test.class");

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![这里写图片描述][SouthEast 8]  
然后可以看见路径`D:\\lib\\Test.class`下Test.class生成了Test.classen文件。

### 编写自定义classloader，DeClassLoader ###

import java.io.ByteArrayOutputStream;
    import java.io.File;
    import java.io.FileInputStream;
    import java.io.IOException;
    
    
    public class DeClassLoader extends ClassLoader {
        
    
        private String mLibPath;
    
        public DeClassLoader(String path) {
            // TODO Auto-generated constructor stub
            mLibPath = path;
        }
    
        @Override
        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            // TODO Auto-generated method stub
    
            String fileName = getFileName(name);
    
            File file = new File(mLibPath,fileName);
    
            try {
                FileInputStream is = new FileInputStream(file);
    
                ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
                int len = 0;
                byte b = 0;
                try {
                    while ((len = is.read()) != -1) {
                        //将数据异或一个数字2进行解密
                        b = (byte) (len ^ 2);
                        bos.write(b);
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
    
                byte[] data = bos.toByteArray();
                is.close();
                bos.close();
    
                return defineClass(name,data,0,data.length);
    
            } catch (IOException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
    
            return super.findClass(name);
        }
    
        //获取要加载 的class文件名
        private String getFileName(String name) {
            // TODO Auto-generated method stub
            int index = name.lastIndexOf('.');
            if(index == -1){ 
                return name+".classen";
            }else{
                return name.substring(index+1)+".classen";
            }
        }
    
    }

### 测试 ###

我们可以在ClassLoaderTest.java中的main方法中如下编码：

DeClassLoader diskLoader = new DeClassLoader("D:\\lib");
            try {
                //加载class文件
                Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.Test");
    
                if(c != null){
                    try {
                        Object obj = c.newInstance();
                        Method method = c.getDeclaredMethod("say",null);
                        //通过反射调用Test类的say方法
                        method.invoke(obj, null);
                    } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                            | NoSuchMethodException
                            | SecurityException | 
                            IllegalArgumentException | 
                            InvocationTargetException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }

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查看运行结果是：

![这里写图片描述][SouthEast 7]

可以看到了，同样成功了。现在，我们有两个自定义的ClassLoader:DiskClassLoader和DeClassLoader，我们可以尝试一下，看看DiskClassLoader能不能加载Test.classen文件也就是Test.class加密后的文件。

我们首先移除`D:\\lib\\Test.class`文件，只剩下一下Test.classen文件，然后进行代码的测试。

DeClassLoader diskLoader1 = new DeClassLoader("D:\\lib");
            try {
                //加载class文件
                Class c = diskLoader1.loadClass("com.frank.test.Test");
    
                if(c != null){
                    try {
                        Object obj = c.newInstance();
                        Method method = c.getDeclaredMethod("say",null);
                        //通过反射调用Test类的say方法
                        method.invoke(obj, null);
                    } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                            | NoSuchMethodException
                            | SecurityException | 
                            IllegalArgumentException | 
                            InvocationTargetException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
    
            DiskClassLoader diskLoader = new DiskClassLoader("D:\\lib");
            try {
                //加载class文件
                Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.Test");
    
                if(c != null){
                    try {
                        Object obj = c.newInstance();
                        Method method = c.getDeclaredMethod("say",null);
                        //通过反射调用Test类的say方法
                        method.invoke(obj, null);
                    } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                            | NoSuchMethodException
                            | SecurityException | 
                            IllegalArgumentException | 
                            InvocationTargetException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
    
        }

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运行结果：  
![这里写图片描述][SouthEast 9]

我们可以看到。DeClassLoader运行正常，而DiskClassLoader却找不到Test.class的类,并且它也无法加载Test.classen文件。

# Context ClassLoader 线程上下文类加载器 #

前面讲到过Bootstrap ClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader，现在又出来这么一个类加载器，这是为什么？

前面三个之所以放在前面讲，是因为它们是真实存在的类，而且遵从”双亲委托“的机制。而ContextClassLoader其实只是一个概念。

查看Thread.java源码可以发现

public class Thread implements Runnable {
        
    
    /* The context ClassLoader for this thread */
       private ClassLoader contextClassLoader;
    
       public void setContextClassLoader(ClassLoader cl) {
           SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
           if (sm != null) {
               sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
           }
           contextClassLoader = cl;
       }
    
       public ClassLoader getContextClassLoader() {
           if (contextClassLoader == null)
               return null;
           SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
           if (sm != null) {
               ClassLoader.checkClassLoaderPermission(contextClassLoader,
                                                      Reflection.getCallerClass());
           }
           return contextClassLoader;
       }
    }

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

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。

我们同样可以编写代码来加深理解。  
现在有2个SpeakTest.class文件，一个源码是

package com.frank.test;
    
    public class SpeakTest implements ISpeak {
        
    
        @Override
        public void speak() {
            // TODO Auto-generated method stub
            System.out.println("Test");
        }
    
    }

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它生成的SpeakTest.class文件放置在`D:\\lib\\test`目录下。  
另外ISpeak.java代码

package com.frank.test;
    
    public interface ISpeak {
        
        public void speak();
    
    }

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然后，我们在这里还实现了一个SpeakTest.java

package com.frank.test;
    
    public class SpeakTest implements ISpeak {
        
    
        @Override
        public void speak() {
            // TODO Auto-generated method stub
            System.out.println("I\' frank");
        }
    
    }

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它生成的SpeakTest.class文件放置在`D:\\lib`目录下。

然后我们还要编写另外一个ClassLoader，DiskClassLoader1.java这个ClassLoader的代码和DiskClassLoader.java代码一致，我们要在DiskClassLoader1中加载位置于`D:\\lib\\test`中的SpeakTest.class文件。

测试代码：

DiskClassLoader1 diskLoader1 = new DiskClassLoader1("D:\\lib\\test");
    Class cls1 = null;
    try {
    //加载class文件
     cls1 = diskLoader1.loadClass("com.frank.test.SpeakTest");
    System.out.println(cls1.getClassLoader().toString());
    if(cls1 != null){
        try {
            Object obj = cls1.newInstance();
            //SpeakTest1 speak = (SpeakTest1) obj;
            //speak.speak();
            Method method = cls1.getDeclaredMethod("speak",null);
            //通过反射调用Test类的speak方法
            method.invoke(obj, null);
        } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                | NoSuchMethodException
                | SecurityException | 
                IllegalArgumentException | 
                InvocationTargetException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
    } catch (ClassNotFoundException e) {
    // TODO Auto-generated catch block
    e.printStackTrace();
    }
    
    DiskClassLoader diskLoader = new DiskClassLoader("D:\\lib");
    System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+" classloader: "+Thread.currentThread().getContextClassLoader().toString());
    new Thread(new Runnable() {
    
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+" classloader: "+Thread.currentThread().getContextClassLoader().toString());
    
            // TODO Auto-generated method stub
            try {
                //加载class文件
            //  Thread.currentThread().setContextClassLoader(diskLoader);
                //Class c = diskLoader.loadClass("com.frank.test.SpeakTest");
                ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
                Class c = cl.loadClass("com.frank.test.SpeakTest");
                // Class c = Class.forName("com.frank.test.SpeakTest");
                System.out.println(c.getClassLoader().toString());
                if(c != null){
                    try {
                        Object obj = c.newInstance();
                        //SpeakTest1 speak = (SpeakTest1) obj;
                        //speak.speak();
                        Method method = c.getDeclaredMethod("speak",null);
                        //通过反射调用Test类的say方法
                        method.invoke(obj, null);
                    } catch (InstantiationException | IllegalAccessException 
                            | NoSuchMethodException
                            | SecurityException | 
                            IllegalArgumentException | 
                            InvocationTargetException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }).start();

结果如下：  
![这里写图片描述][SouthEast 10]

我们可以得到如下的信息：  
1. DiskClassLoader1加载成功了SpeakTest.class文件并执行成功。  
2. 子线程的ContextClassLoader是AppClassLoader。  
3. AppClassLoader加载不了父线程当中已经加载的SpeakTest.class内容。

我们修改一下代码，在子线程开头处加上这么一句内容。

Thread.currentThread().setContextClassLoader(diskLoader1);

*  1

结果如下：  
![这里写图片描述][SouthEast 11]

可以看到子线程的ContextClassLoader变成了DiskClassLoader。

继续改动代码：

Thread.currentThread().setContextClassLoader(diskLoader);

*  1
 *  2

结果：  
![这里写图片描述][SouthEast 12]

可以看到DiskClassLoader1和DiskClassLoader分别加载了自己路径下的SpeakTest.class文件，并且它们的类名是一样的`com.frank.test.SpeakTest`，但是执行结果不一样，因为它们的实际内容不一样。

## Context ClassLoader的运用时机 ##

其实这个我也不是很清楚，我的主业是Android，研究ClassLoader也是为了更好的研究Android。网上的答案说是适应那些Web服务框架软件如Tomcat等。主要为了加载不同的APP，因为加载器不一样，同一份class文件加载后生成的类是不相等的。如果有同学想多了解更多的细节，请自行查阅相关资料。

[Link 1]: https://blog.csdn.net/briblue/article/details/54973413
[SouthEast]: /images/20220521/c2a873d0c59d4c25bd9278cf55a9cc05.png
[SouthEast 1]: /images/20220521/dee7c97b099f4038880b6c1f321f3948.png
[SouthEast 2]: /images/20220521/1d8c2fbed40845579950397bb9084ed5.png
[Link 2]: http://blog.csdn.net/zhangjg_blog/article/details/21486985
[sun.misc.Launcher]: http://www.grepcode.com/file/repository.grepcode.com/java/root/jdk/openjdk/8u40-b25/sun/misc/Launcher.java
[SouthEast 3]: /images/20220521/327ed1f908a44d9886249b947cbd600c.png
[SouthEast 4]: /images/20220521/fc185ae5efb8499095716f1e977c00a1.png
[SouthEast 5]: /images/20220521/572c682381064a54a26351070f5a6a73.png
[SouthEast 6]: /images/20220521/b95ccdf097f64e59920277e02af0b0af.png
[SouthEast 7]: /images/20220521/1a177d8577b64063bcb73e81d43cbef6.png
[SouthEast 8]: /images/20220521/0fc1f996cfe24084818a0746e0f8ca78.png
[SouthEast 9]: /images/20220521/e635aef81a8541c9ad8f12424440eade.png
[SouthEast 10]: /images/20220521/5953ff23761248ad83d48a56de226a23.png
[SouthEast 11]: /images/20220521/cd7c20b339824c929f0ebbfcd22d8242.png
[SouthEast 12]: /images/20220521/5c6c1fad82784074bd5a394271d7b453.png