Java虚拟机：深入详细分析Java ClassLoader原理与源码

缺乏、安全感 2022-02-20 05:39 250阅读 0赞

## 一、什么是ClassLoader? ##

ClassLoader就是类加载器，当我们写好一个Java程序之后，都是由若干个.class文件组成的一个完整的Java应用程序，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。如果一次性加载那么多jar包那么多class，那内存不就崩溃了？所以ClassLoader就是用来动态加载class文件到内存当中用的。

**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!");
    	}
    }

如图：

![这里写图片描述][SouthEast]

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

![这里写图片描述][SouthEast 1]

上面是基本代码示例，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。

## 二、Java默认提供的三个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，如：rt.jar、resources.jar、charsets.jar等，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。也可通过如下程序获得该类加载器从哪些地方加载了相关的jar或class文件：

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

以下内容是上述程序从本机JDK环境所获得的结果：

> 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/

其实上述结果也是通过查找**sun.boot.class.path**这个系统属性所得知的。

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

> **打印结果：**
> 
> 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

**2、Extension ClassLoader**：称为扩展类加载器，负责加载Java的扩展类库，默认加载JAVA\_HOME/jre/lib/ext/目下的所有jar。还可以加载`-D java.ext.dirs`选项指定的目录。

**3、App ClassLoader**：称为系统类加载器，负责加载应用程序classpath目录下的所有jar和class文件。

**注意：** 除了Java默认提供的三个ClassLoader之外，用户还可以根据需要定义自已的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。

## 三、ClassLoader加载类的原理： ##

###  1、原理介绍： ###

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，是组合关系），虚拟机内置的启动类加载器（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。

整个流程可以如下图所示：

![0_13301699801ybH.gif][]

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**。

### 2、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。

## 3、* ***但是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。现在通过实例来验证上述所描述的是否正确：

（1）在web服务器上建一个org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple.java类

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

`org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple类的setNetClassLoaderSimple方法接收一个Object类型参数，并将它强制转换成org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple类型。`

（2）测试两个class是否相同（NetWorkClassLoader.java）

package classloader;
     
    public class NewworkClassLoaderTest {
     
    	public static void main(String[] args) {
    		try {
    			//测试加载网络中的class文件
    			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();
    		}
    	}
    	
    }

首先获得网络上一个class文件的二进制名称，然后通过自定义的类加载器NetworkClassLoader创建两个实例，并根据网络地址分别加载这份class，并得到这两个ClassLoader实例加载后生成的Class实例clazz1和clazz2，最后将这两个Class实例分别生成具体的实例对象obj1和obj2，再通过反射调用clazz1中的setNetClassLoaderSimple方法。

（3）查看测试结果：  
![0_1330236980VBdo.gif][]  
**结论：从结果中可以看出，虽然是同一份class字节码文件，但是由于被两个不同的ClassLoader实例所加载，所以JVM认为它们就是两个不同的类。**

## ##

## 三、源码解析： ##

我们看到了系统的3个类加载器，他们的具体执行顺序为Bootstrap CLassloder → Extention ClassLoader→AppClassLoader

为了更好的理解，我们可以查看源码。

### 1、sum.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 {}

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"));

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

可以看到，这些全是JRE目录下的jar包或者是class文件。

### 2、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;
            }
     
    ......
        }

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"));

结果如下：

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

### 3、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);
                    }
                });
            }
    
            ......
        }

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"));

结果：

> D:\\workspace\\ClassLoaderDemo\\bin

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。

### 4、父加载器不是父类： ###

**（1）接下来我们先验证ClassLoader加载类的原理： **

**测试1：**打印ClassLoader类的层次结构，请看下面这段代码：

ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();	//获得加载ClassLoaderTest.class这个类的类加载器
    while(loader != null) {
    	System.out.println(loader);
    	loader = loader.getParent();	//获得父类加载器的引用
    }
    System.out.println(loader);

**打印结果：**

![0_1330171451E13x.gif][]

第一行结果说明：ClassLoaderTest的类加载器是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。（详细原因下面会讲）

**测试2：**将ClassLoaderTest.class打包成ClassLoaderTest.jar，放到Extension ClassLoader的加载目录下（JAVA\_HOME/jre/lib/ext），然后重新运行这个程序，得到的结果会是什么样呢？

![0_1330171344FeHP.gif][]

**打印结果：**

![0_1330171469NCLm.gif][]

**打印结果分析：**为什么第一行的结果是ExtClassLoader呢？

因为ClassLoader的委托模型机制，当我们要用ClassLoaderTest.class这个类的时候，AppClassLoader在试图加载之前，先委托给Bootstrcp ClassLoader，Bootstracp ClassLoader发现自己没找到，它就告诉ExtClassLoader，兄弟，我这里没有这个类，你去加载看看，然后Extension ClassLoader拿着这个类去它指定的类路径（JAVA\_HOME/jre/lib/ext）试图加载，唉，它发现在ClassLoaderTest.jar这样一个文件中包含ClassLoaderTest.class这样的一个文件，然后它把找到的这个类加载到内存当中，并生成这个类的Class实例对象，最后把这个实例返回。所以ClassLoaderTest.class的类加载器是ExtClassLoader。

第二行的结果为null，是因为ExtClassLoader的父类加载器是Bootstrap ClassLoader。

**测试3：**用Bootstrcp ClassLoader来加载ClassLoaderTest.class，有两种方式：

1、在jvm中添加-Xbootclasspath参数，指定Bootstrcp ClassLoader加载类的路径，并追加我们自已的jar（ClassTestLoader.jar）

2、将class文件放到JAVA\_HOME/jre/classes/目录下（上面有提到）

**方式1：（我用的是Eclipse开发工具，用命令行是在java命令后面添加-Xbootclasspath参数）**

打开Run配置对话框：

![0_1330175588R53g.gif][]

配置好如图中所述的参数后，重新运行程序，产的结果如下所示：（类加载的过程，只摘下了一部份）

**打印结果：**

> \[Loaded java.io.FileReader from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded sun.nio.cs.StreamDecoder from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.ArrayList from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.lang.reflect.Array from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.Locale from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentMap from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.concurrent.locks.Lock from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$Node from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.lang.CharacterDataLatin1 from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.io.ObjectStreamClass from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded sun.net.www.ParseUtil from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.BitSet from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.net.Parts from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.net.URLStreamHandler from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded sun.net.www.protocol.file.Handler from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.util.HashSet from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded sun.net.www.protocol.jar.Handler from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader$1 from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Path C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\classes\]  
> \[Loaded classloader.ClassLoaderTest from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\classes\]  
> null  //这是打印的结果  
> 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    
> //这一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));打印出来的。这个路径就是Bootstrcp ClassLoader默认搜索类的路径  
> \[Loaded java.lang.Shutdown from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]  
> \[Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_22\\jre\\lib\\rt.jar\]

**方式2：将ClassLoaderTest.jar解压后，放到JAVA\_HOME/jre/classes目录下，如下图所示：**

**提示：**jre目录下默认没有classes目录，需要自己手动创建一个

![0_13301761516wEe.gif][]

**打印结果：**

![0_13301764170ZVY.gif][]

从结果中可以看出，两种方式都实现了将ClassLoaderTest.class由Bootstrcp ClassLoader加载成功了。

**（2）为什么上面输出的Bootstrcp ClassLoader的值是null呢？**

难道是Bootstrcp ClassLoader类加载器没有加载？当然不是！要想弄明白这些，我们首先得知道一个前提：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 {}

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 2]

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);

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);   
    }

对应的代码：

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

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。

**（3）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。

**（4）重要方法：**

**①loadClass()：**

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

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;
            }
        }

## 四、定义自已的ClassLoader ##

**既然JVM已经提供了默认的类加载器，为什么还要定义自已的类加载器呢？**

因为Java中提供的默认ClassLoader，只加载指定目录下的jar和class，如果我们想加载其它位置的类或jar时，比如：我要加载网络上的一个class文件，通过动态加载到内存之后，要调用这个类中的方法实现我的业务逻辑。在这样的情况下，默认的ClassLoader就不能满足我们的需求了，所以需要定义自己的ClassLoader。

**1、定义自已的类加载器的步骤为：**

（1）继承java.lang.ClassLoader抽象类；

（2）重写父类的findClass方法，改变搜索类的算法；

`（3）在`findClass()中调用`defineClass()，将class的字节码数组转换成Class类的实例。`

读者可能在这里有疑问，父类有那么多方法，为什么偏偏只重写findClass方法？

因为JDK已经在loadClass方法中帮我们实现了ClassLoader搜索类的算法，当在loadClass方法中搜索不到类时，loadClass方法就会调用findClass方法来搜索类，所以我们只需重写该方法即可。如没有特殊的要求，一般不建议重写loadClass搜索类的算法。下图是API中ClassLoader的loadClass方法：

![0_1330186866b93o.gif][]

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。

**示例：自定义一个NetworkClassLoader，用于加载网络上的class文件：**

package classloader;
     
    import java.io.ByteArrayOutputStream;
    import java.io.InputStream;
    import java.net.URL;
     
    /**
     * 加载网络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); // 父类已加载	
    		//if (clazz == null) {	//检查该类是否已被加载过
    			byte[] classData = getClassData(name);	//根据类的二进制名称,获得该class文件的字节码数组
    			if (classData == null) {
    				throw new ClassNotFoundException();
    			}
    			clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length);	//将class的字节码数组转换成Class类的实例
    		//} 
    		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";
    	}
    }

**测试类：**

package classloader;
     
    public class ClassLoaderTest {
     
    	public static void main(String[] args) {
    		try {
    			/*ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();	//获得ClassLoaderTest这个类的类加载器
    			while(loader != null) {
    				System.out.println(loader);
    				loader = loader.getParent();	//获得父加载器的引用
    			}
    			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();
    		}
    	}
    	
    }

**打印结果：**

![0_13301884446LX0.gif][]

下图是我机器上web服务器的目录结构：

![0_1330188616mj59.gif][]

目前常用web服务器中都定义了自己的类加载器，用于加载web应用指定目录下的类库（jar或class），如：Weblogic、Jboss、tomcat等，下面我以Tomcat为例，展示该web容器都定义了哪些个类加载器：

1、新建一个web工程httpweb

2、新建一个ClassLoaderServletTest，用于打印web容器中的ClassLoader层次结构

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，并启动服务：

<?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、访问Servlet，获得显示结果：

![0_1330189967S757.gif][]

## 五、总结： ##

ClassLoader用来加载class文件的。

系统内置的ClassLoader通过双亲委托来加载指定路径下的class和资源。

可以自定义ClassLoader一般覆盖findClass()方法。

ContextClassLoader与线程相关，可以获取和设置，可以绕过双亲委托的机制。

本文整理自以下的这两篇博客：

[https://blog.csdn.net/xyang81/article/details/7292380][https_blog.csdn.net_xyang81_article_details_7292380]

[https://blog.csdn.net/briblue/article/details/54973413\#commentBox][https_blog.csdn.net_briblue_article_details_54973413_commentBox]

[SouthEast]: /images/20220220/114a5cd884e040f6a78966e63fca6707.png
[SouthEast 1]: /images/20220220/89cab816b33b4fb3992dd26b748192f8.png
[0_13301699801ybH.gif]: /images/20220220/53227ad6fe4e4d38afc389dcbefe4f3d.png
[0_1330236980VBdo.gif]: /images/20220220/4e30e4ffad0644f69cd51ce512c272a0.png
[0_1330171451E13x.gif]: /images/20220220/17fb0aed519d447f99f80c1d690da85f.png
[0_1330171344FeHP.gif]: /images/20220220/0ed0a391d79a473a827d514e8df2bd1e.png
[0_1330171469NCLm.gif]: /images/20220220/781d94cd6513453a8db2a53350854a6a.png
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