# Java ClassLoader分析

- URL: https://www.yidoo.xyz/java-classload-analysis
- 作者: 核动力蜗牛
- 发布时间: 2017-06-10
- 更新时间: 2017-06-10
- 分类: 技术笔记
- 标签: java

# 什么是 ClassLoader

一个 Java 程序是由若干个 class 文件组成。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 class 文件不存在的，则会引发 ClassNotFoundException。

程序在启动的时候，并不会一次性加载程序所要用的所有 class 文件，而是根据程序的需要，通过 Java 的类加载机制（ClassLoader）来动态加载某个 class 文件到内存当中的，从而只有 class 文件被载入到了内存之后，才能被其它 class 所引用。所以 ClassLoader 就是用来动态加载 class 文件到内存当中用的。

# Java ClassLoader 的体系结构

现在先看下 ClassLoader 的体系结构：
![classload-architecture.png](https://www.yidoo.xyz/images/337feb92de28c76cf83503fdb0a35386.png)

## Bootstrap ClassLoader

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。

可以通过如下程序获得该 classloader 所加载的 jar

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

程序输出：

```
/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/classes
```

如果是 scala 会在 java 的基础上额外加载几个 jar。

```scala
scala> println(System.getProperty("sun.boot.class.path"))
/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_60.jdk/Contents/Home/jre/classes:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/akka-actor_2.11-2.3.10.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/config-1.2.1.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/jline-2.12.1.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-actors-2.11.0.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-actors-migration_2.11-1.1.0.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-compiler.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-continuations-library_2.11-1.0.2.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-continuations-plugin_2.11.7-1.0.2.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-library.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-parser-combinators_2.11-1.0.4.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-reflect.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-swing_2.11-1.0.2.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scala-xml_2.11-1.0.4.jar:/Users/zhenlong/DevTools/scala/lib/scalap-2.11.7.jar
```

## Extension ClassLoader

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。该类在 sun.misc.launcher 包中。

## App ClassLoader

App ClassLoader：称为应用类加载器，也称为 System ClassLoaer，负责加载应用程序 CLASSPATH 下的所有 jar 和 class 文件。该类也在 sun.misc.launcher 包中。

## User-Defined ClassLoader

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.

所有的 ClassLoader 都必须继承自 java.lang.ClassLoader，而 Bootstrap ClassLoader 却不是。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。

# ClassLoader 加载原理

ClassLoader 使用的是**双亲委托模型**来搜索类的，每个 ClassLoader 实例都**包含(而不是继承)**一个父类加载器的引用。虚拟机内置的类加载器（Bootstrap ClassLoader）本身没有父类加载器，但可以用作其它 ClassLoader 实例的的父类加载器。

采用双亲委托机制加载类的时候采用如下的几个步骤：

1. 当前 ClassLoader 首先从自己已经加载的类中查询是否此类已经加载，如果已经加载则直接返回原来已经加载的类；
2. 当前 classLoader 的缓存中没有找到被加载的类的时候，委托父类加载器去加载，父类加载器采用同样的策略，首先查看自己的缓存，然后委托父类的父类去加载，一直到 bootstrp ClassLoader.
3. 当所有的父类加载器都没有加载的时候，再由当前的类加载器加载，并将其放入它自己的缓存中，以便下次有加载请求的时候直接返回。
4. 如果它们都没有加载到这个类时，则抛出 ClassNotFoundException 异常。否则（找到），将为这个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；

总之，class 的加载顺序为：cache -> parent classloader -> self.

使用双亲委托模型的好处：

1. 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。
2. 提高安全性。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。

在 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。比如有一个 Java 类 SimpleClass.java，javac 编译之后生成字节码文件 SimpleClass.class，ClassLoaderA 和 ClassLoaderB 这两个类加载器并读取了 SimpleClass.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。

# 如何自定义 ClassLoader

## 何时需要自己定制 ClassLoader？

1. 需要加载外部的 class 而这些 class，默认的类加载器是加载不到的。例如，文件系统比较特殊或者需要从网络中加载一个 class 字节流等。
2. 需要实现 class 的隔离性。常用的 web 服务器，如 weblogic、tomcat、jetty 等都实现这样的类加载器。这些类加载器主要做到：
   1）实现加载 Web 应用指定目录下的 jar 和 class。
   2）实现部署在容器中的 Web 应用程共同使用的类库的共享。
   3）实现部署在容器中各个 Web 应用程序自己私有类库的相互隔离。

## 如何自定义 ClassLoader

1. 继承 java.lang.ClassLoader
2. 覆盖 findClass()方法

下面是一个自定义 ClassLoader 的例子：

```java
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        Class clazz = this.findLoadedClass(name);  // optional
        if (clazz == null) {
            byte[] classData = loadClassData(name);
            if (classData == null) {
                throw new ClassNotFoundException();
            }
            clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
        return clazz;
    }

    private byte[] loadClassData(String name) {
        // TODO: load class data.
        return null;
    }
}
```