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Java的类加载器与双亲委托机制

作者某人Valar

如需转载请保留原文链接

本文涉及到的Java源码均为 Java8 版本

部分图片来自百度，如有侵权请联系删除

类加载器
java.lang.ClassLoader类
- URLClassLoader与SecureClassLoader
- ClassLoader常见方法源码分析
双亲委托机制
- 图解
- 源码角度分析
常见的问题分析

前言：我们刚刚接触Java时，在IDE（集成开发环境）或者文本编辑器中所写的都是.java文件，在编译后会生成.class文件，又称字节码文件。

javac HelloWorld.java   --->  HelloWorld.class
复制代码

对于.class文件来说，需要被加载到虚拟机中才能使用，这个加载的过程就成为 类加载 。如果想要知道类加载的方式，就需要知道 类加载器 和 双亲委托机制 的概念。也就是我们本篇所要介绍的内容。

1. 类加载器

Java中的类加载器可以分为两种：

系统类加载器
自定义类加载器

而系统类加载器又有3个：

Bootstrap ClassLoader：启动类加载器
Extensions ClassLoader：扩展类加载器
App ClassLoader：也称为SystemAppClass，系统类加载器

1.1 Bootstrap ClassLoader

Bootstrap ClassLoader用来加载 JVM(Java虚拟机) 运行时所需要的系统类，其使用 c++ 实现。

从以下路径来加载类：

%JAVA_HOME%/jre/lib

Java虚拟机的启动就是通过 Bootstrap ClassLoader创建一个初始类来完成的。可以通过如下代码来得出Bootstrap ClassLoader所加载的目录：

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[]args) {
        System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));
    }
}
复制代码

打印结果为：

C:/Program Files/Java/jdk1.8.0_102/jre/lib/resources.jar;
C:/Program Files/Java/jdk1.8.0_102/jre/lib/rt.jar;
C:/Program Files/Java/jdk1.8.0_102/jre/lib/sunrsasign.jar;
C:/Program Files/Java/jdk1.8.0_102/jre/lib/jsse.jar;
C:/Program Files/Java/jdk1.8.0_102/jre/lib/jce.jar;
C:/Program Files/Java/jdk1.8.0_102/jre/lib/charsets.jar;
C:/Program Files/Java/jdk1.8.0_102/jre/lib/jfr.jar;
C:/Program Files/Java/jdk1.8.0_102/jre/classes
复制代码

可以发现几乎都是 $JAVA_HOME/jre/lib 目录中的jar包，包括rt.jar、resources.jar和charsets.jar等等。

1.2 Extensions ClassLoader

Extensions ClassLoader（扩展类加载器）具体是由 ExtClassLoader 类实现的， ExtClassLoader 类位于 sun.misc.Launcher 类中，是其的一个静态内部类。对于 Launcher 类，可以先看成是Java虚拟机的一个入口。

ExtClassLoader 的部分代码如下：

Extensions ClassLoader负责将 JAVA_HOME/jre/lib/ext 或者由系统变量 -Djava.ext.dir 指定位置中的类库加载到内存中。

通过以下代码可以得到Extensions ClassLoader加载目录：

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

打印结果为：

C:/Program Files/Java/jdk1.8.0_102/jre/lib/ext;
C:/Windows/Sun/Java/lib/ext
复制代码

1.3 App ClassLoader

也称为SystemAppClass（系统类加载器），具体是由 AppClassLoader 类实现的， AppClassLoader 类也位于 sun.misc.Launcher 类中。

部分代码如下：

主要加载Classpath目录下的的所有jar和Class文件，是程序中的默认类加载器。这里的Classpath是指我们Java工程的bin目录。
也可以加载通过-Djava.class.path选项所指定的目录下的jar和Class文件。

通过以下代码可以得到App ClassLoader加载目录：

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

打印结果为：

C:/workspace/Demo/bin
复制代码

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。

在Java中，除了上述的3种系统提供的类加载器，还可以自定义一个类加载器。

1.4. 自定义类加载器

为了可以从指定的目录下加载jar包或者class文件，我们可以用继承java.lang.ClassLoader类的方式来实现一个自己的类加载器。

在自定义类加载器时，我们一般复写 findClass 方法，并在 findClass 方法中调用 defineClass 方法。

接下来会先介绍下ClassLoader类相关的具体内容，之后看一个自定义类加载器demo。

2 java.lang.ClassLoader类

2.1 ClassLoader、URLClassLoader与SecureClassLoader的关系

从上面关于ExtClassLoader、AppClassLoader源码图中我们可以看到，他们都继承自URLClassLoader，那这个URLClassLoader是什么，其背后又有什么呢？

先来一张 很重要的继承关系 图：

ClassLoader是一个抽象类，位于java.lang包下，其中定义了ClassLoader的主要功能。
SecureClassLoader继承了抽象类ClassLoader，但SecureClassLoader并不是ClassLoader的实现类，而是拓展了ClassLoader类加入了权限方面的功能，加强了ClassLoader的安全性。
URLClassLoader继承自SecureClassLoader，用来通过URl路径从jar文件和文件夹中加载类和资源。
ExtClassLoader和AppClassLoader都继承自URLClassLoader，它们都是Launcher 的内部类，Launcher 是Java虚拟机的入口应用，ExtClassLoader和AppClassLoader都是在Launcher中进行初始化的。

2.2 普通的类、AppClassLoader与ExtClassLoader之间的关系

关系：

加载普通的类（这里指得是我们所编写的代码类，下文demo中的Test类）加载器是AppClassLoader，AppClassLoader的父加载器为ExtClassLoader
而ExtClassLoader的父加载器是Bottstrap ClassLoader

还有2个结论：

每个类都有类加载器
每个类加载器都有父加载器

我们准备一个简单的demo 自建的一个Test.java文件。

public class Test{}
复制代码

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
		ClassLoader cl = Test.class.getClassLoader();
		System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString());
	}
}
复制代码

这样就可以获取到Test.class文件的类加载器，然后打印出来。结果是：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@75b83e92
复制代码

也就是说明Test.class文件是由AppClassLoader加载的。

那AppClassLoader是谁加载的呢？其实AppClassLoader也有一个父加载器，我们可以通过以下代码获取

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader loader = Test.class.getClassLoader();
        while (loader != null) {
            System.out.println(loader);
            loader = loader.getParent();
        }
    }
}
复制代码

上述代码结果如下：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@7565783b
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b586d23
复制代码

加载Test的类加载器是AppClassLoader，AppClassLoader的父加载器为ExtClassLoader
而ExtClassLoader的父加载器是Bottstrap ClassLoader

至于为何没有打印出ExtClassLoader的父加载器Bootstrap ClassLoader，这是因为Bootstrap ClassLoader是由C++编写的，并不是一个Java类，因此我们无法在Java代码中获取它的引用。

2.3 java.lang.ClassLoader类常见的方法

上一节我们看到了ClassLoader的 getParent 方法， getParent 获取到的其实就是其父加载器。这一节将通过源码，来介绍ClassLoader中的一些重要方法。

getParent()

ClassLoader类
---------
public final ClassLoader getParent() {
    if (parent == null) return null;
    SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
    if (sm != null) {
        checkClassLoaderPermission(parent, Reflection.getCallerClass());
    }
    return parent;
}
复制代码

我们可以看到，其返回值有两种可能，为 空 或者是 parent 变量。

从源码中还可以发现其是一个final修饰的方法，我们知道被final修饰的说明这个方法提供的功能已经满足当前要求，是不可以重写的，所以其各个子类所调用的 getParent() 方法最终都会由ClassLoader来处理。

parent变量又是什么呢？我们在查看源码时可以发现parent的赋值是在构造方法中。

ClassLoader类
---------
private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
    this.parent = parent;
    ... //省略了无关代码
}
复制代码

而此构造方法又是私有的，不能被外部调用，所以其调用者还是在内部。于是接着查找到了另外两个构造方法。

ClassLoader类
---------
protected ClassLoader() {
    this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
}
    
protected ClassLoader(ClassLoader parent) {
    this(checkCreateClassLoader(), parent);
}
复制代码

所以：

getSystemClassLoader()

接着看上面代码中的getSystemClassLoader的源码：

ClassLoader类
---------
public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
    initSystemClassLoader();
    if (scl == null) {
        return null;
    }
    SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
    if (sm != null) {
        checkClassLoaderPermission(scl, Reflection.getCallerClass());
    }
    return scl;
}
复制代码

其返回的是一个scl。在 initSystemClassLoader() 方法中发现了对scl变量的赋值。

ClassLoader类
---------
private static synchronized void initSystemClassLoader() {
    if (!sclSet) {
        if (scl != null)
            throw new IllegalStateException("recursive invocation");
        sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher(); //1
        if (l != null) {
            Throwable oops = null;
            scl = l.getClassLoader();
            ...//省略代码
        }
        sclSet = true;
    }
}
复制代码

重点来了，注释1处其获取到的是 Launcher 类的对象，然后调用了 Launcher 类的 getClassLoader() 方法。

Launcher类
---------
public ClassLoader getClassLoader() {
    return this.loader;
}
复制代码

那这个this.loader是什么呢？在 Launcher 类中发现，其赋值操作在 Launcher 的构造方法中，其值正是 Launcher 类中的 AppClassLoader ：

Launcher类
---------
public Launcher() {
    Launcher.ExtClassLoader var1;
    try {
        var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
    } catch (IOException var10) {
        throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
    }

    try {
        this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
    } catch (IOException var9) {
        throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
    }
    ...
}
复制代码

到这里谜团全部解开了：

在创建ClassLoder时，

可以指定一个ClassLoder作为其parent，也就是其父加载器。
若没有指定的话，会使用 getSystemClassLoader() 方法的返回值（也就是 Launcher 类中的 AppClassLoader ）作为其parent。
通过getParent()方法可以获取到这个父加载器。

defineClass()

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异常，例如 ClassFormatError 、 NoClassDefFoundError 。

在自定义ClassLoader时，我们通常会先将特定的文件读取成byte[]对象，再使用此方法，将其转为class对象。

ClassLoader类
---------
/**
* String name：表示预期的二进制文件名称，不知道的话，可以填null。
* byte[] b：此class文件的二进制数据
* int off：class二进制数据开始的位置
* int len：class二进制数据的总长度
*/

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
    throws ClassFormatError
{
    return defineClass(name, b, off, len, null);
}


protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len, ProtectionDomain protectionDomain)
    throws ClassFormatError
{
    protectionDomain = preDefineClass(name, protectionDomain);
    String source = defineClassSourceLocation(protectionDomain);
    Class<?> c = defineClass1(name, b, off, len, protectionDomain, source);
    postDefineClass(c, protectionDomain);
    return c;
}
复制代码

findClass()

findClass() 方法一般被 loadClass() 方法调用去加载指定名称类。

ClassLoader类
---------
/**
* String name：class文件的名称
*/
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
} 
复制代码

通过源码看到ClassLoader类中并没有具体的逻辑，而是等待着其子类去实现，通过上面的分析我们知道两个系统类加载器 ExtClassLoader 和 AppClassLoader 都继承自 URLClassLoader ，那就来看一下 URLClassLoader 中的具体代码。

URLClassLoader类
---------
protected Class<?> findClass(final String name) throws ClassNotFoundException
{
    final Class<?> result;
    try {
        result = AccessController.doPrivileged(
            new PrivilegedExceptionAction<Class<?>>() {
                public Class<?> run() throws ClassNotFoundException {
                    String path = name.replace('.', '/').concat(".class");
                    Resource res = ucp.getResource(path, false);
                    if (res != null) {
                        try {
                            return defineClass(name, res);
                        } catch (IOException e) {
                            throw new ClassNotFoundException(name, e);
                        }
                        ...
    return result;
}

private Class<?> defineClass(String name, Resource res) throws IOException {
    ...
    URL url = res.getCodeSourceURL();
    ...
    java.nio.ByteBuffer bb = res.getByteBuffer();
    if (bb != null) {
        ...
        return defineClass(name, bb, cs);
    } else {
        byte[] b = res.getBytes();
        ...
        return defineClass(name, b, 0, b.length, cs);
    }
}
复制代码

可以看到其对传入的name进行处理后，就调用了 defineClass(name, res) ；在这个方法里主要是通过res资源和url，加载出相应格式的文件，最终还是通过ClassLoader的 defineClass 方法加载出具体的类。

loadClass()

上节说到 findClass() 一般是在 loadClass() 中调用，那 loadClass() 是什么呢？其实 loadClass() 就是 双亲委托机制 的具体实现，所以在我们先介绍下双亲委托机制后，再来分析 loadClass() 。

3 双亲委托机制介绍

3.1 图解双亲委托机制

先简单介绍下双亲委托机制：类加载器查找Class（也就是在loadClass时）所采用的是双亲委托模式，所谓双亲委托模式就是

首先判断该Class是否已经加载
如果没有则不是自身去查找而是委托给父加载器进行查找，这样依次的进行递归，直到委托到最顶层的Bootstrap ClassLoader
如果Bootstrap ClassLoader找到了该Class，就会直接返回
如果没找到，则继续依次向下查找，如果还没找到则最后会交由自身去查找

（图片来自http://liuwangshu.cn/application/classloader/1-java-classloader-.html）

其中红色的箭头代表向上委托的方向，如果当前的类加载器没有从缓存中找到这个class对象，就会请求父加载器进行操作。直到 Bootstrap ClassLoader 。
而黑色的箭头代表的是查找方向，若 Bootstrap ClassLoader 可以从 %JAVA_HOME%/jre/lib 目录或者-Xbootclasspath指定目录查找到，就直接返回该对象，否则就让 ExtClassLoader 去查找。
ExtClassLoader 就会从 JAVA_HOME/jre/lib/ext 或者 -Djava.ext.dir 指定位置中查找，找不到时就交给 AppClassLoader ， AppClassLoader 就从当前工程的bin目录下查找
若还是找不到的话，就由我们自定义的 CustomClassLoader 查找，具体查找的结果，就要看我们怎么实现自定义ClassLoader的 findClass 方法了。

3.2 源码分析双亲委托机制

接下来我们看看双亲委托机制在源码中是如何体现的。先看loadClass的源码：

ClassLoader类
---------
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        //首先，根据name检查类是否已经加载，若已加载，会直接返回
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    //若当前类加载器有父加载器，则调用其父加载器的loadClass()
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    //若当前类加载器的parent为空，则调用findBootstrapClassOrNull()
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
            }
        
            if (c == null) {
                // 1.如果到这里c依然为空的话，表示一直到最顶层的父加载器也没有找到已加载的c，那就会调用findClass进行查找
                // 2.在findClass的过程中，如果指定目录下没有，就会抛出异常ClassNotFoundException
                // 3.抛出异常后，此层调用结束，接着其子加载器继续进行findClass操作
                long t1 = System.nanoTime();
                c = findClass(name);

                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

复制代码

findBootstrapClassOrNull()方法：可以看到其对name进行校验后，最终调用了一个 native 方法 findBootstrapClass() 。在 findBootstrapClass() 方法中最终会用Bootstrap Classloader来查找类。

ClassLoader类
---------
private Class<?> findBootstrapClassOrNull(String name)
{
    if (!checkName(name)) return null;
    return findBootstrapClass(name);
}
    
private native Class<?> findBootstrapClass(String name);
复制代码

4 常见的问题

4.1 为什么使用双亲委托机制？

避免重复加载，如果已经加载过一次Class，就不需要再次加载，而是先从缓存中直接读取。
安全方面的考虑，如果不使用双亲委托模式，就可以自定义一个String类来替代系统的String类，这样便会造成安全隐患，采用双亲委托模式会使得系统的String类在Java虚拟机启动时就被加载，也就无法自定义String类来替代系统的String类。

4.2 由不同的类加载器加载的类会被JVM当成同一个类吗？

不会。在Java中，我们用包名+类名作为一个类的标识。但在JVM中，一个类用其 包名+类 名和 一个ClassLoader的实例 作为唯一标识，不同类加载器加载的类将被置于不同的命名空间.

通过一个demo来看，

用两个自定义类加载器去加载一个自定义的类
然后获取到的Class进行java.lang.Object.equals（…）判断。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
    
        ClassLoaderTest myClassLoader = new ClassLoaderTest("F://");
        ClassLoaderTest myClassLoader2 = new ClassLoaderTest("F://");
        try {
            Class c = myClassLoader.loadClass("com.example.Hello");
            Class c2 = myClassLoader.loadClass("com.example.Hello");

            Class c3 = myClassLoader2.loadClass("com.example.Hello");

            System.out.println(c.equals(c2)); //true
            System.out.println(c.equals(c3)); //flase
    }
}
复制代码

输出结果：

true
false
复制代码

只有两个类名一致并且被同一个类加载器加载的类，Java虚拟机才会认为它们是同一个类。

上面demo中用到的自定义ClassLoader：

自定义的类加载器
注意点：
1.覆写findClass方法
2.让其可以根据name从我们指定的path中加载文件，也就是将文件正确转为byte[]格式
3.使用defineClass方法将byte[]数据转为Class对象
-------------
public class ClassLoaderTest extends ClassLoader{
    private String path;
    public ClassLoaderTest(String path) {
        this.path = path;
    }
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        Class clazz = null;
        byte[] classData = classToBytes(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            clazz= defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
        return clazz;
    }
    private byte[] classToBytes(String name) {
        String fileName = getFileName(name);
        File file = new File(path,fileName);
        InputStream in=null;
        ByteArrayOutputStream out=null;
        try {
            in = new FileInputStream(file);
            out = new ByteArrayOutputStream();
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int length=0;
            while ((length = in.read(buffer)) != -1) {
                out.write(buffer, 0, length);
            }
            return out.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            try {
                if(in!=null) {
                    in.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try{
                if(out!=null) {
                    out.close();
                }
            }catch (IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return null;
    }
    private String getFileName(String name) {
        int index = name.lastIndexOf('.');
        if(index == -1){
            return name+".class";
        }else{
            return name.substring(index+1)+".class";
        }
    }
}
复制代码