JVM 学习三：类加载器

类加载器

1 类加载器的分类

JVM 支持两种类型的类加载器：引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）

从概念上来讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类加载器，但是 Java 虚拟机规范却没有这么定义，而是将所有派生于抽象类 ClassLoader 的类加载器都划分为自定义类加载器

无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器始终只有 3 个，如下所示：

关于 ClassLoader:

测试代码：ClassLoaderTest.java

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取系统（应用）类加载器
        ClassLoader systemLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemLoader); // sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        // 获取 systemLoader 的上层：扩展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader); // sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4554617c

        // 试图获取 extClassLoader 的上层 Bootstrap ClassLoder：获取不到引导类加载器
        ClassLoader bootstrapLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapLoader); // null

        // 用户自定义类的类加载器：默认使用系统类加载器进行加载
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader); // sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        // String 的类加载器也是引导类加载器 --> Java 的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的
        ClassLoader classLoader2 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader2); // null
    }
}

2 虚拟机自带的加载器

2.1 启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

• 这个类加载器使用 C/C++ 语言实现的，嵌套在 JVM 内部
• 它用来加载 Java 的核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar 或 sun.boot.class.path 路径下的内容），用于提供 JVM 自身需要的类
• 并不继承自 java.lang.ClassLoader，没有父加载器
• 加载扩展类和应用程序类加载器，并指定为它们的父类加载器
• 出于安全考虑，Bootstrap ClassLoader 启动类加载器只加载包名为 java、javax、sun 开头的类

测试类 ClassLoaderTest2.java

public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("======== 启动类加载器 ========");
        // 获取 BootstrapClassLoader 能够加载的 API 路径
        URL[] urLs = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL urL : urLs) {
            System.out.println(urL.toExternalForm());
        }

        // 验证 jsse.jar 包下 Provider 类的类加载器为 Bootstrap ClassLoader
        System.out.println(Provider.class.getClassLoader()); // null
    }
}

Provider 类由引导类加载器加载：

输出结果：

2.2 扩展类加载器（Extension ClassLoader）

• Java 语言编写的，由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现
• 派生于 ClassLoader 类
• 父类加载器为启动类加载器
• 从 java.ext.dirs 系统属性所指定的目录中加载类库，或从 JDK 的安装目录的 jre/lib/ext 子目录（扩展目录）下加载类库。如果用户创建的 JAR 放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载

测试类 ClassLoaderTest3.class

public class ClassLoaderTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("======= 扩展类加载器 =======");
        String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String path : extDirs.split(";")) {
            System.out.println(path);
        }
        // 验证 CurveDB 是由 ExtClassLoader 加载器所加载的
        System.out.println(CurveDB.class.getClassLoader()); // sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7ea987ac
    }
}

CurveDB 类是由 ExtClassLoader 加载器所加载的

输出结果：

2.3 应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader）

• Java 语言编写，由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现
• 派生于 ClassLoader 类
• 父类加载器为扩展类加载器
• 它负责加载环境变量 classpath 或系统属性 java.class.path 指定路径下的类库
• 应用程序类加载器程序中默认的类加载器，一般来说，Java 应用的类都是由它来完成加载
• 通过 ClassLoader#getSystemClassLoader() 方法可以获取到该类加载器

测试类 ClassLoaderTest.java

public class ClassLoaderTest4 {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取用户自定义类的类加载器
        System.out.println(ClassLoaderTest4.class.getClassLoader());
        /**
         * 输出结果为：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
         */
    }
}

3 用户自定义类加载器

在 Java 的日常应用程序开发中，类的加载几乎都是同上述 3 种类加载器相互配合完成的，但是在必要的时候，我们也可以自定义类加载器，来定制类的加载方式。

3.1 为什么要自定义类加载器

• 隔离加载类
• 修改类加载的方式
• 扩展加载源
• 防止源码泄漏

3.2 自定义类加载器实现步骤

1. 开发人员可以通过继承抽象类 java.lang.ClassLoader 类的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求
2. 在 JDK 1.2 之前，自定义类加载器时，总会去继承 ClassLoader 类并重写 loadClass() 方法，从而实现自定义的加载器类，但是在 JDK 1.2 之后已不再建议用户覆盖 loadClass() 方法，而是建议把自定义类加载的逻辑写在 findClass() 方法中
3. 在编写自定义类加载器时，如果没有太过于复杂的需求，可以直接继承 URLClassLoader类，这样就可以避免自己去编写 findClass() 方法及其获取字节码流的方式，使自定义类加载器编写更加简洁

简单的类加载器实现 CustomClassLoader.java

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            byte[] result = getClassFromCustomPath(name);
            if (result == null) {
                throw new FileNotFoundException();
            } else {
                return defineClass(name, result, 0, result.length);
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

    private byte[] getClassFromCustomPath(String name) {
        // 从自定义路径中加载指定类：细节略
        // 如果指定路径的字节码文件进行了加密，则需要在此方法中进行解密操作

        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CustomClassLoader customClassLoader = new CustomClassLoader();
        try {
            Class<?> clazz = Class.forName("One", true, customClassLoader);
            Object obj = clazz.newInstance();
            System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

4 关于 ClassLoader

ClassLoader 类是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自 ClassLoader （不包括启动类加载器）

4.1 方法介绍

方法名称	描述
getParent()	返回该类加载器的超类加载器
loadClass(String name)	加载名称为 name 的类，返回结果为 java.lang.Class 类的实例
findClass(String name)	查找名为 name 的类，返回结果为 java.lang.Class 类的实例
findLoadedClass(String name)	查找名为 name 的已经被加载过的类，返回结果为 java.lang.Class 的类的实例
defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)	把字节数组 b 中的内容转换为一个 Java 类，返回结果为 java.lang.Class 类的实例
resolveClass(Class<?> c)	连接指定的一个 Java 类

4.2 获取 ClassLoader 的途径

• 获取当前类的 ClassLoader: clazz.getClassLoader()
• 获取当前线程上下文的 ClassLoader: Thread.currentThread().getContextClassLoader()
• 获取系统的 ClassLoader: ClassLoader.getSystemClassLoader()
• 获取调用都的 ClassLoader: DriverManager.getCallerClassLoader()