整理Java中的ClassLoader核心知识点

本文整理了基于 JDK8 的 ClassLoader 核心知识点，包括 JVM 中 ClassLoader 种类、ClassLoader 执行顺序、父加载器概念、双亲委派机制、自定义类加载器。

JDK 和 JRE 的作用

• JDK 提供了 java 的编程环境，它包含编译调试的环境功能，包含 JRE(JDK 目录中的 JRE 为专用 JRE，而安装后与 JDK 同目录的 JRE 为公用 JRE)。开发时一般运行的是 JDK 专用JRE，而运行外部程序时一般运行的是公用 JRE，实现了分工不同的 jre 负责各自范围的内容。
• JRE 提供了 JAVA 程序运行的必要环境平台

JAVAHOME、PATH、CLASSPATH

• JAVAHOME： JDK安装的位置路径，如：D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_241
• PATH： 配置后运行 bin 中的命令不需要补全全路径，如可以在任意的位置运行 java 和 javac 命令， %JAVA_HOME%\bin;
• CLASSPATH：指向jar包路径 %JAVA_HOME%\lib;

类加载器的种类

在JVM中有三类ClassLoader构成：

• Bootstrap ClassLoader 启动类(或根类)加载器
• Extention ClassLoader 扩展的类加载器
• Appclass Loader 应用类加载器

(1) Bootstrap ClassLoader

Bootstrap ClassLoader 最顶层的类加载器，主要加载核心类库 %JRE_HOME%\lib 下的 rt.jar、resources.jar、charsets.jar 和 class文件等。

//执行 
System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path")); 
//输出结果 
D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_241\jre\lib\resources.jar; 
D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_241\jre\lib\rt.jar; 
D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_241\jre\lib\sunrsasign.jar; 
D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_241\jre\lib\jsse.jar; 
D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_241\jre\lib\jce.jar; 
D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_241\jre\lib\charsets.jar; 
D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_241\jre\lib\jfr.jar; 
D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_241\jre\classes 

(2) Extention ClassLoader

Extention ClassLoader 扩展的类加载器，主要加载目录 %JRE_HOME%\lib\ext 目录下的jar包和class文件。

//执行 
System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs")); 
//输出 
D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_241\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext 

(3) Appclass Loader

Appclass Loader也称为SystemAppClass 加载当前应用的classpath的所有类。

类加载器的执行顺序

除启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)外，扩展类加载器和应用类加载器都是通过类sun.misc.Launcher进行初始化，而Launcher类则由启动类加载器进行加载。Launcher相关代码如下：

public Launcher() { 
    Launcher.ExtClassLoader var1; 
    try { 
        //初始化扩展类加载器，构造函数没有入参，无法获取启动类加载器 
        var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader(); 
    } catch (IOException var10) { 
        throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10); 
    } 
 
    try { 
        //初始化应用类加载器，入参为扩展类加载器 
        this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1); 
    } catch (IOException var9) { 
        throw new InternalError("Could not create application class loader", var9); 
    } 
 
    // 设置上下文类加载器 
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader); 
     
   //... 
} 

加载顺序：Bootstrap CLassloder > Extention ClassLoader > AppClassLoader

父加载器概念

AppClassLoader 和 ExtClassLoader 都继承了 URLClassLoader。每个类加载器都有一个父加载器(注意：父类和父加载器是两个不同的概念)，可通过 getParent() 获取父类加载器。

System.out.println("ClassLoader is:"+cl.toString()); 
System.out.println("ClassLoader\'s parent is:"+cl.getParent().toString());System.out.println("ClassLoader\'s grand father is:"+cl.getParent().getParent().toString()); 

• AppClassLoader 的父加载器是ExtClassLoader
• ExtClassLoader的父加载器是Bootstrap ClassLoader(上面代码输出 ExtClassLoader 为null 是因为 Bootstrap ClassLoader 本身不是一个Java 类所致)
• 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。

双亲委派

双亲委派模型：当一个类加载器接收到类加载请求时，会先请求其父类加载器加载，依次递归，当父类加载器无法找到该类时(根据类的全限定名称)，子类加载器才会尝试去加载。

时序图

为什么使用双亲委派模型?

双亲委派模型是为了保证Java核心库的类型安全。所有Java应用都至少需要引用java.lang.Object类，在运行时这个类需要被加载到Java虚拟机中。如果该加载过程由自定义类加载器来完成，可能就会存在多个版本的java.lang.Object类，而且这些类之间是不兼容的。

通过双亲委派模型，对于Java核心库的类的加载工作由启动类加载器来统一完成，保证了Java应用所使用的都是同一个版本的Java核心库的类，是互相兼容的。

自定义类加载器

不管是Bootstrap ClassLoader还是ExtClassLoader等，这些类加载器都只是加载指定的目录下的jar包或者资源。如果我们需要动态加载比如从指定目录中加载一个class文件，这时候通过自定义类加载器可以实现。

自定义类加载器只需要继承java.lang.ClassLoader类，然后重写findClass(String name)方法即可，在方法中指明如何获取类的字节码流。如果要破坏双亲委派规范的话，还需重写loadClass方法(双亲委派的具体逻辑实现)。但不建议这么做。

public class ClassLoaderTest extends ClassLoader { 
 
    private String classPath; 
 
    public ClassLoaderTest(String classPath) { 
        this.classPath = classPath; 
    } 
 
    /** 
     * 编写findClass方法的逻辑 
     * 
     * @param name 
     * @return 
     * @throws ClassNotFoundException 
     */ 
    @Override 
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
        // 获取类的class文件字节数组 
        byte[] classData = getClassData(name); 
        if (classData == null) { 
            throw new ClassNotFoundException(); 
        } else { 
            // 生成class对象 
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length); 
        } 
    } 
 
    /** 
     * 编写获取class文件并转换为字节码流的逻辑 
     * 
     * @param className 
     * @return 
     */ 
    private byte[] getClassData(String className) { 
        // 读取类文件的字节 
        String path = classNameToPath(className); 
        try { 
            InputStream is = new FileInputStream(path); 
            ByteArrayOutputStream stream = new ByteArrayOutputStream(); 
            byte[] buffer = new byte[2048]; 
            int num = 0; 
            // 读取类文件的字节码 
            while ((num = is.read(buffer)) != -1) { 
                stream.write(buffer, 0, num); 
            } 
            return stream.toByteArray(); 
        } catch (IOException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
        return null; 
    } 
 
    /** 
     * 类文件的完全路径 
     * 
     * @param className 
     * @return 
     */ 
    private String classNameToPath(String className) { 
        return classPath + File.separatorChar 
                + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class"; 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
        String classPath = "/Users/zzs/my/article/projects/java-stream/src/main/java/"; 
        ClassLoaderTest loader = new ClassLoaderTest(classPath); 
 
        try { 
            //加载指定的class文件 
            Class<?> object1 = loader.loadClass("com.secbro2.classload.SubClass"); 
            System.out.println(object1.newInstance().toString()); 
        } catch (Exception e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
} 

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