Java運行時環(huán)境之ClassLoader類加載機制詳解

背景：聽說ClassLoader類加載機制是進入BAT的必經(jīng)之路。

ClassLoader總述：

普通的Java開發(fā)其實用到ClassLoader的地方并不多，但是理解透徹ClassLoader類的加載機制，無論是對我們編寫更高效的代碼還是進BAT都大有裨益；而從“黃埔軍?！背鰜淼奈覍lassLoader的理解都是借鑒了很多書籍和博客，站在了各大博主的肩膀上，感謝你們！上菜，Classloader最主要的作用就是將Java字節(jié)碼文件(后綴為.class)加載到JVM中，JVM在啟動時不會一次性加載所有的class文件，而是根據(jù)需要動態(tài)加載class文件，畢竟一次性加載太多jar包的class文件JVM吃不消；下面主要研究Bootstrap ClassLoader、Extention ClassLoader和AppClassLoader這三種類加載器。

談到ClassLoader就想到我們安裝JDK的時候都會在控制臺輸入java、javac驗證是否安裝成功，而這個javac就是Java ClassLoader，測試是否能把Java源文件正確編譯成Java字節(jié)碼文件，下面的截圖就是個javac的小例子，javac之后加載器把Java源文件編譯成TestClassLoader.class字節(jié)碼文件。

由于下面要講到ClassLoader的加載路徑，這里順便把Java的環(huán)境變量也復習一遍。

JAVA_HOME：

指的是安裝JDK的位置，如：JAVA_HOME="/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_191.jdk/Contents/Home" 。

PATH：

配置PATH(程序的路徑)的作用將就是能夠在命令行窗口直接鍵入程序的名字了，而不再需要鍵入它的全路徑，比如上面代碼中我用的到javac和java兩個命令。如：PATH=".$PATH:$JAVA_HOME/bin" ；就是在JAVA_HOME路徑上添加了JDK下的bin目錄即可。

CLASSPATH：

CLASSPATH就是指向jar包的路徑，如：PATH=".$PATH:$JAVA_HOME/bin" ； "."表示當前目錄。

ClassLoader類加載流程：

三個Class Loader的執(zhí)行順序是：Bootstrap CLassloder -> Extention ClassLoader -> AppClassLoader；

1、Bootstrap CLassloder是最頂層的加載類，主要是加載核心類庫，也就是%JRE_HOME%\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar和class等資源；并且，可以通過啟動JVM時指定-Xbootclasspath和路徑來改變Bootstrap ClassLoader的加載目錄，下面有個小荔子。

2、Extention ClassLoader是擴展的類加載器，其加載的是目錄%JRE_HOME%\lib\ext目錄下的jar包和class文件；它同樣也可以加載-D java.ext.dirs選項指定的目錄。

3、Appclass Loader是用于加載當前應用的classpath的所有類，其也稱為SystemAppClass。

另外有興趣的還可以看下Launcher類的源碼，源碼中規(guī)定了三個加載器的環(huán)境屬性分別為B:sun.boot.class.path、E:java.ext.dirs和A:java.class.path;下面通過代碼來簡單測試寫，如圖：

打印輸出結果：

BootstrapClassLoader:
        /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_191.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar:
            /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_191.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar:
                /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_191.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar:
                    /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_191.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar:
                        /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_191.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar:
                            /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_191.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar:
                                /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_191.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar:
                                    /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_191.jdk/Contents/Home/jre/classes

ExtClassLoader:
        /Users/apple/Library/Java/Extensions:
            /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_191.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext:
                /Library/Java/Extensions:/Network/Library/Java/Extensions:
                    /System/Library/Java/Extensions:/usr/lib/java

AppClassLoader:
        /TJT/Eclipse/workspace/tjt/bin:
            /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_191.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar

為了更好的理解三者之間加載的關系，我們來測試一個類的加載器和它的父類加載以及一些不是我們創(chuàng)建的類如String、Double、int等基礎類：

從上圖中可用看出，自己編寫的類Test2.class文件是由AppClassLoader加載的，并且AppClassLoader有父加載器ExtClassLoader，但ExtClassLoader的父加載器為null；Double.class這個Java基礎類的加載器為null，其父加載也為空且程序還會報空指針異常錯誤；其實呢，Double.class是有Bootstrap CLassLoader加載的，也并不是每個加載器都有父加載器；總的來說就是JVM啟動時通過Bootstrap類加載器加載rt.jar等核心jar包中的class文件，諸如一些int.class，String.class都是由它加載；JVM初始化sun.misc.Launcher并創(chuàng)建Extension ClassLoader和AppClassLoader實例，且將ExtClassLoader設置為AppClassLoader的父加載器；而Bootstrap雖然沒有父加載器，但是它卻可以作為一個ClassLoader的父加載器；另外，一個ClassLoader創(chuàng)建時如果沒有指定parent，那么它的parent默認就是AppClassLoader；

雙親委托：

當一個類加載器查找class和resource時，是通過“委托模式”進行的，它首先會判斷這個class是不是已經(jīng)加載成功，如果沒有加載的話它并不是自己進行查找，而是先通過父加載器，然后遞歸下去，直到Bootstrap ClassLoader，如果Bootstrap classloader找到了，直接返回，如果沒有找到，則一級一級返回，最后是由自身去查找這些對象；這種機制就叫做雙親委托。

從上圖可用看出ClassLoader的加載序列，委托是從下往上，查找過程則是從上向下的，以下有幾個注意事項：

1、一個AppClassLoader查找資源時，首先會查看緩存是否有，若有則從緩存中獲取，否則委托給父加載器；

2.、重復第一步的遞歸操作，查詢類是否已被加載；

3.、如果ExtClassLoader也沒有加載過，則由Bootstrap ClassLoader加載，它首先也會查找緩存，如果沒有找到的話，就去找自己的規(guī)定的路徑下，也就是sun.mic.boot.class下面的路徑，找到就返回，找不到就讓子加載器自己去找。

4.、Bootstrap ClassLoader如果沒有查找成功，則ExtClassLoader自己在java.ext.dirs路徑中去查找，查找成功就返回，查找不成功則再向下讓子加載器找。

5.、若是ExtClassLoader查找不成功，則由ppClassLoader在java.class.path路徑下自己查找查找，找到就返回，如果沒有找到就讓子類找，如果沒有子類則會拋出各種異常。

自定義CLassLoader：

在ClassLoader中有四個很重要實用的方法loadClass()、findLoadedClass()、findClass()、defineClass()，可以用來創(chuàng)建屬于自己的類的加載方式；比如我們需要動態(tài)加載一些東西，或者從C盤某個特定的文件夾加載一個class文件，又或者從網(wǎng)絡上下載class主內(nèi)容然后再進行加載等。分三步搞定：

1、編寫一個類繼承ClassLoader抽象類；

2、重寫findClass()方法；

3、在findClass()方法中調(diào)用defineClass()方法即可實現(xiàn)自定義ClassLoader；

需求：自定義一個classloader其默認加載路徑為"/TJT/Code"下的jar包和資源。首先創(chuàng)建一個Test.java，然后javac編譯并把生成的Test.class文件放到"/TJT/Code"路徑下，然后再編寫一個DiskClassLoader繼承ClassLoader，最后通過FindClassLoader的測試類，調(diào)用再Test.class里面的一個find()方法。

package www.baidu;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class DiskClassLoader extends ClassLoader{
//自定義classLoader能將class二進制內(nèi)容轉換成Class對象
 private String myPath;
 
 public DiskClassLoader(String path) {
  myPath = path;
 }
 
 //findClass()方法中定義了查找class的方法
 @Override
 protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException{
  String fileName = getFileName(name);
  File file = new File(myPath,fileName);
  try {
   FileInputStream is = new FileInputStream(file);
   ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
   int len = 0;
   try {
    while((len = is.read()) != -1) {
     bos.write(len);
    }
   } catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
   }
   byte[] data = bos.toByteArray();
   is.close();
   bos.close();
   //數(shù)據(jù)通過defineClass()生成了Class對象
   return defineClass(name, data,0,data.length );
  } catch (Exception e) {
   e.printStackTrace();
  }
  return super.findClass(name);
 }
 
 private String getFileName(String name) {
  int lastIndexOf = name.lastIndexOf('.');
  if (lastIndexOf == -1) {
   return name + ".class";
  }else {
   return name.substring(lastIndexOf + 1) + ".class";
  }
 }
}

測試結果如下：找到了自定義的加載路徑并且調(diào)用了類中的find()方法

package www.baidu;
import java.lang.reflect.Method;

public class FindClassLoader {
 public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
  //創(chuàng)建自定義classloader對象
  DiskClassLoader diskL = new DiskClassLoader("/TJT/Code");
  System.out.println("classloader is: "+diskL);
  try {
    //加載class文件
   Class clazz = diskL.loadClass("www.baidu.Test");
   if (clazz != null) {
    Object object = clazz.newInstance();
    Method declaredMethod = clazz.getDeclaredMethod("find", null);
    //通過反射調(diào)用Test類的find()方法
    declaredMethod.invoke(object, null);
   }
  } catch (Exception e) {
   e.printStackTrace();
  } 
 }
}

總結：

除此之外，ClassLoader還可以進行程序加密(比如你寫了比較騷的jar包)，這樣我們就可以在程序中加載特定了類，并且這個類只能被我們自定義的加載器進行加載，提高了程序的安全性，但是用的不多；反正我們在項目上是不允許用ClassLoader加密，寧愿裸奔，了解一下。另外就是tomcat的類加載機制也是遵循雙親委派機制的，并且大部分的加載機制和JVM類加載機制一樣，理解了Bootstrap ClassLoader、Extention ClassLoader和AppClassLoader這三種加載器后再看tomcat類的加載就可以橫著走了。

好了，以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對億速云的支持。