Java ClassLoader 原理詳細分析

xyang0917的部落格發表於2015-03-24

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,當程式在執行時,即會呼叫該程式的一個入口函式來呼叫系統的相關功能,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檔案中要呼叫另外一個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查詢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:稱為擴充套件類載入器,負責載入Java的擴充套件類庫,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,而這些自定義的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例項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例項的的父類載入器。當一個ClassLoader例項需要載入某個類時,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,則丟擲ClassNotFoundException異常。否則將這個找到的類生成一個類的定義,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例項物件。

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定義的String來動態替代java核心api中定義的型別,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,所以使用者自定義的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例項載入的。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例項所載入,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編譯之後生成位元組碼檔案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例項來表示這個類,對於JVM來說,它們是兩個不同的例項物件,但它們確實是同一份位元組碼檔案,如果試圖將這個Class例項生成具體的物件進行轉換時,就會拋執行時異常java.lang.ClassCaseException,提示這是兩個不同的型別。現在通過例項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型別引數,並將它強制轉換成org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple型別。

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檔案的二進位制名稱,然後通過自定義的類載入器NetworkClassLoader建立兩個例項,並根據網路地址分別載入這份class,並得到這兩個ClassLoader例項載入後生成的Class例項clazz1和clazz2,最後將這兩個Class例項分別生成具體的例項物件obj1和obj2,再通過反射呼叫clazz1中的setNetClassLoaderSimple方法。

3)、檢視測試結果

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例項所載入,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類的層次結構,請看下面這段程式碼:

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),然後重新執行這個程式,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,並生成這個類的Class例項物件,最後把這個例項返回。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中新增-Xbootclasspath引數,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命令後面新增-Xbootclasspath引數)

開啟Run配置對話方塊:

配置好如圖中所述的引數後,重新執行程式,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,如下圖所示:

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,要呼叫這個類中的方法實現我的業務邏輯。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方法就會呼叫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。下圖是API中ClassLoader的loadClass方法:

示例:自定義一個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);  //根據類的二進位制名稱,獲得該class檔案的位元組碼陣列  
            if (classData == null) {  
                throw new ClassNotFoundException();  
            }  
            clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length);  //將class的位元組碼陣列轉換成Class類的例項  
        //}   
        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:

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:

下圖是我機器上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、新建一個web工程httpweb

2、新建一個ClassLoaderServletTest,用於列印web容器中的ClassLoader層次結構

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

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