[轉]Java ClassLoader 原理詳細分析

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一、什麼是ClassLoader?

　　大家都知道，當我們寫好一個Java程式之後，不是管是CS還是BS應用，都是由若干個.class檔案組織而成的一個完整的Java應用程式，當程式在運行時，即會調用該程式的一個入口函數來調用系統的相關功能，而這些功能都被封裝在不同的class檔案當中，所以經常要從這個class檔案中要調用另外一個class檔案中的方法，如果另外一個檔案不存在的，則會引發系統異常。而程式在啟動的時候，並不會一次性載入程式所要用的所有class檔案，而是根據程式的需要，通過Java的類載入機制（ClassLoader）來動態載入某個class檔案到記憶體當中的，從而只有class檔案被載入到了記憶體之後，才能被其它class所引用。所以ClassLoader就是用來動態載入class檔案到記憶體當中用的。

二、Java預設提供的三個ClassLoader

1. Bootstrap ClassLoader：稱為啟動類載入器，是Java類載入層次中最頂層的類載入器，負責載入JDK中的核心類庫，如：rt.jar、resources.jar、charsets.jar等，可通過如下程式獲得該類載入器從哪些地方載入了相關的jar或class檔案：

   URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();  for (int i = 0; i < urls.length; i++) {      System.out.println(urls[i].toExternalForm());  }

   以下內容是上述程式從本機JDK環境所獲得的結果：

   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/

   其實上述結果也是通過尋找sun.boot.class.path這個系統屬性所得知的。

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

   列印結果：C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes

2. Extension ClassLoader：稱為擴充類載入器，負責載入Java的擴充類庫，預設載入JAVA_HOME/jre/lib/ext/目下的所有jar。
3. App ClassLoader：稱為系統類別載入器，負責載入應用程式classpath目錄下的所有jar和class檔案。

注意： 除了Java預設提供的三個ClassLoader之外，使用者還可以根據需要定義自已的ClassLoader，而這些自訂的ClassLoader都必須繼承自java.lang.ClassLoader類，也包括Java提供的另外二個ClassLoader（Extension ClassLoader和App ClassLoader）在內，但是Bootstrap ClassLoader不繼承自ClassLoader，因為它不是一個普通的Java類，底層由C++編寫，已嵌入到了JVM核心當中，當JVM啟動後，Bootstrap ClassLoader也隨著啟動，負責載入完核心類庫後，並構造Extension ClassLoader和App ClassLoader類載入器。

三、ClassLoader載入類的原理1、原理介紹

ClassLoader使用的是雙親委託模型來搜尋類的，每個ClassLoader執行個體都有一個父類載入器的引用（不是繼承的關係，是一個包含的關係），虛擬機器內建的類載入器（Bootstrap ClassLoader）本身沒有父類載入器，但可以用作其它ClassLoader執行個體的的父類載入器。當一個ClassLoader執行個體需要載入某個類時，它會試圖親自搜尋某個類之前，先把這個任務委託給它的父類載入器，這個過程是由上至下依次檢查的，首先由最頂層的類載入器Bootstrap ClassLoader試圖載入，如果沒載入到，則把任務轉交給Extension ClassLoader試圖載入，如果也沒載入到，則轉交給App ClassLoader 進行載入，如果它也沒有載入得到的話，則返回給委託的發起者，由它到指定的檔案系統或網路等URL中載入該類。如果它們都沒有載入到這個類時，則拋出ClassNotFoundException異常。否則將這個找到的類產生一個類的定義，並將它載入到記憶體當中，最後返回這個類在記憶體中的Class執行個體對象。

2、為什麼要使用雙親委託這種模型呢？

因為這樣可以避免重複載入，當父親已經載入了該類的時候，就沒有必要子ClassLoader再載入一次。考慮到安全因素，我們試想一下，如果不使用這種委託模式，那我們就可以隨時使用自訂的String來動態替代java核心api中定義的類型，這樣會存在非常大的安全隱患，而雙親委託的方式，就可以避免這種情況，因為String已經在啟動時就被引導類載入器（Bootstrcp ClassLoader）載入，所以使用者自訂的ClassLoader永遠也無法載入一個自己寫的String，除非你改變JDK中ClassLoader搜尋類的預設演算法。

3、 但是JVM在搜尋類的時候，又是如何判定兩個class是相同的呢？

JVM在判定兩個class是否相同時，不僅要判斷兩個類名是否相同，而且要判斷是否由同一個類載入器執行個體載入的。只有兩者同時滿足的情況下，JVM才認為這兩個class是相同的。就算兩個class是同一份class位元組碼，如果被兩個不同的ClassLoader執行個體所載入，JVM也會認為它們是兩個不同class。比如網路上的一個Java類org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple，javac編譯之後產生位元組碼檔案NetClassLoaderSimple.class，ClassLoaderA和ClassLoaderB這兩個類載入器並讀取了NetClassLoaderSimple.class檔案，並分別定義出了java.lang.Class執行個體來表示這個類，對於JVM來說，它們是兩個不同的執行個體對象，但它們確實是同一份位元組碼檔案，如果試圖將這個Class執行個體產生具體的對象進行轉換時，就會拋運行時異常java.lang.ClassCaseException，提示這是兩個不同的類型。現在通過執行個體來驗證上述所描述的是否正確：

1）、在web伺服器上建一個org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple.java類

package org.classloader.simple;  public class NetClassLoaderSimple {      private NetClassLoaderSimple instance;      public void setNetClassLoaderSimple(Object obj) {          this.instance = (NetClassLoaderSimple)obj;      }  }

org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple類的setNetClassLoaderSimple方法接收一個Object型別參數，並將它強制轉換成org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple類型。

2）、測試兩個class是否相同（NetWorkClassLoader.java）

package classloader;  public class NewworkClassLoaderTest {      public static void main(String[] args) {          try {              //測試載入網路中的class檔案              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();          }      }  }

首先獲得網路上一個class檔案的二進位名稱，然後通過自訂的類載入器NetworkClassLoader建立兩個執行個體，並根據網路地址分別載入這份class，並得到這兩個ClassLoader執行個體載入後產生的Class執行個體clazz1和clazz2，最後將這兩個Class執行個體分別產生具體的執行個體對象obj1和obj2，再通過反射調用clazz1中的setNetClassLoaderSimple方法。

3）、查看測試結果

結論：從結果中可以看出，雖然是同一份class位元組碼檔案，但是由於被兩個不同的ClassLoader執行個體所載入，所以JVM認為它們就是兩個不同的類。

4、ClassLoader的體系架構：

驗證ClassLoader載入類的原理：

測試1：列印ClassLoader類的階層，請看下面這段代碼：

ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();    //獲得載入ClassLoaderTest.class這個類的類載入器  while(loader != null) {      System.out.println(loader);      loader = loader.getParent();    //獲得父類載入器的引用  }  System.out.println(loader);

列印結果：

第一行結果說明：ClassLoaderTest的類載入器是AppClassLoader。

第二行結果說明：AppClassLoader的類加器是ExtClassLoader，即parent=ExtClassLoader。

第三行結果說明：ExtClassLoader的類加器是Bootstrap ClassLoader，因為Bootstrap ClassLoader不是一個普通的Java類，所以ExtClassLoader的parent=null，所以第三行的列印結果為null就是這個原因。

測試2：將ClassLoaderTest.class打包成ClassLoaderTest.jar，放到Extension ClassLoader的載入目錄下（JAVA_HOME/jre/lib/ext），然後重新運行這個程式，得到的結果會是什麼樣呢？

列印結果：

列印結果分析：

為什麼第一行的結果是ExtClassLoader呢？

因為ClassLoader的委託模型機制，當我們要用ClassLoaderTest.class這個類的時候，AppClassLoader在試圖載入之前，先委託給Bootstrcp ClassLoader，Bootstracp ClassLoader發現自己沒找到，它就告訴ExtClassLoader，兄弟，我這裡沒有這個類，你去載入看看，然後Extension ClassLoader拿著這個類去它指定的類路徑（JAVA_HOME/jre/lib/ext）試圖載入，唉，它發現在ClassLoaderTest.jar這樣一個檔案中包含ClassLoaderTest.class這樣的一個檔案，然後它把找到的這個類載入到記憶體當中，並產生這個類的Class執行個體對象，最後把這個執行個體返回。所以ClassLoaderTest.class的類載入器是ExtClassLoader。

第二行的結果為null，是因為ExtClassLoader的父類載入器是Bootstrap ClassLoader。

測試3：用Bootstrcp ClassLoader來載入ClassLoaderTest.class，有兩種方式：

1、在jvm中添加-Xbootclasspath參數，指定Bootstrcp ClassLoader載入類的路徑，並追加我們自已的jar（ClassTestLoader.jar）

2、將class檔案放到JAVA_HOME/jre/classes/目錄下（上面有提到）

方式1：（我用的是Eclipse開發工具，用命令列是在java命令後面添加-Xbootclasspath參數）

開啟Run配置對話方塊：

配置好中所述的參數後，重新運行程式，產的結果如下所示：（類載入的過程，只摘下了一部份）

列印結果：

[Loaded java.io.FileReader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded sun.nio.cs.StreamDecoder from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.ArrayList from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.lang.reflect.Array from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.Locale from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.concurrent.ConcurrentMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.concurrent.locks.Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$Node from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.lang.CharacterDataLatin1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.io.ObjectStreamClass from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded sun.net.www.ParseUtil from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.BitSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.net.Parts from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.net.URLStreamHandler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded sun.net.www.protocol.file.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.util.HashSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded sun.net.www.protocol.jar.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader$1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Path C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]  [Loaded classloader.ClassLoaderTest from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]  null  //這是列印的結果  C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;  C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;  C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;  C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes;c:\ClassLoaderTest.jar    //這一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));列印出來的。這個路徑就是Bootstrcp ClassLoader預設搜尋類的路徑  [Loaded java.lang.Shutdown from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  [Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]

方式2：將ClassLoaderTest.jar解壓後，放到JAVA_HOME/jre/classes目錄下，如所示：

提示：jre目錄下預設沒有classes目錄，需要自己手動建立一個

列印結果：

從結果中可以看出，兩種方式都實現了將ClassLoaderTest.class由Bootstrcp ClassLoader載入成功了。

四、定義自已的ClassLoader

既然JVM已經提供了預設的類載入器，為什麼還要定義自已的類載入器呢？

因為Java中提供的預設ClassLoader，只載入指定目錄下的jar和class，如果我們想載入其它位置的類或jar時，比如：我要載入網路上的一個class檔案，通過動態載入到記憶體之後，要調用這個類中的方法實現我的商務邏輯。在這樣的情況下，預設的ClassLoader就不能滿足我們的需求了，所以需要定義自己的ClassLoader。

定義自已的類載入器分為兩步：

1、繼承java.lang.ClassLoader

2、重寫父類的findClass方法

讀者可能在這裡有疑問，父類有那麼多方法，為什麼偏偏只重寫findClass方法？

因為JDK已經在loadClass方法中幫我們實現了ClassLoader搜尋類的演算法，當在loadClass方法中搜尋不到類時，loadClass方法就會調用findClass方法來搜尋類，所以我們只需重寫該方法即可。如沒有特殊的要求，一般不建議重寫loadClass搜尋類的演算法。是API中ClassLoader的loadClass方法：

樣本：自訂一個NetworkClassLoader，用於載入網路上的class檔案

package classloader;  import java.io.ByteArrayOutputStream;  import java.io.InputStream;  import java.net.URL;  /**  * 載入網路class的ClassLoader  */  public class NetworkClassLoader extends ClassLoader {      private String rootUrl;      public NetworkClassLoader(String rootUrl) {          this.rootUrl = rootUrl;      }      @Override      protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {          Class clazz = null;//this.findLoadedClass(name); // 父類已載入             //if (clazz == null) {  //檢查該類是否已被載入過              byte[] classData = getClassData(name);  //根據類的二進位名稱,獲得該class檔案的位元組碼數組              if (classData == null) {                  throw new ClassNotFoundException();              }              clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length);  //將class的位元組碼數群組轉換成Class類的執行個體          //}           return clazz;      }      private byte[] getClassData(String name) {          InputStream is = null;          try {              String path = classNameToPath(name);              URL url = new URL(path);              byte[] buff = new byte[1024*4];              int len = -1;              is = url.openStream();              ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();              while((len = is.read(buff)) != -1) {                  baos.write(buff,0,len);              }              return baos.toByteArray();          } catch (Exception e) {              e.printStackTrace();          } finally {              if (is != null) {                 try {                    is.close();                 } catch(IOException e) {                    e.printStackTrace();                 }              }          }          return null;      }      private String classNameToPath(String name) {          return rootUrl + "/" + name.replace(".", "/") + ".class";      }  }

測試類別：

package classloader;  public class ClassLoaderTest {      public static void main(String[] args) {          try {              /*ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();  //獲得ClassLoaderTest這個類的類載入器             while(loader != null) {                 System.out.println(loader);                 loader = loader.getParent();    //獲得父載入器的引用             }             System.out.println(loader);*/              String rootUrl = "http://localhost:8080/httpweb/classes";              NetworkClassLoader networkClassLoader = new NetworkClassLoader(rootUrl);              String classname = "org.classloader.simple.NetClassLoaderTest";              Class clazz = networkClassLoader.loadClass(classname);              System.out.println(clazz.getClassLoader());          } catch (Exception e) {              e.printStackTrace();          }      }  }

列印結果：

是我機器上web伺服器的目錄結構：

目前常用web伺服器中都定義了自己的類載入器，用於載入web應用指定目錄下的類庫（jar或class），如：Weblogic、Jboss、tomcat等，下面我以Tomcat為例，展示該web容器都定義了哪些個類載入器：

1、建立一個web工程httpweb

2、建立一個ClassLoaderServletTest，用於列印web容器中的ClassLoader階層

import java.io.IOException;  import java.io.PrintWriter;  import javax.servlet.ServletException;  import javax.servlet.http.HttpServlet;  import javax.servlet.http.HttpServletRequest;  import javax.servlet.http.HttpServletResponse;  public class ClassLoaderServletTest extends HttpServlet {      public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)              throws ServletException, IOException {          response.setContentType("text/html");          PrintWriter out = response.getWriter();          ClassLoader loader = this.getClass().getClassLoader();          while(loader != null) {              out.write(loader.getClass().getName()+"<br/>");              loader = loader.getParent();          }          out.write(String.valueOf(loader));          out.flush();          out.close();      }      public void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)              throws ServletException, IOException {          this.doGet(request, response);      }  }

3、配置Servlet，並啟動服務

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>  <web-app version="2.4"       xmlns="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee"       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"       xsi:schemaLocation="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee   http://java.sun.com/xml/ns/j2ee/web-app_2_4.xsd">  <servlet>      <servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>      <servlet-class>ClassLoaderServletTest</servlet-class>    </servlet>    <servlet-mapping>      <servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>      <url-pattern>/servlet/ClassLoaderServletTest</url-pattern>    </servlet-mapping>    <welcome-file-list>      <welcome-file>index.jsp</welcome-file>    </welcome-file-list>  </web-app>

4、訪問Servlet，獲得顯示結果

原文:http://www.codeceo.com/article/java-classloader.html

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