Java ClassLoader深入研究

参考文章：

http://blog.youkuaiyun.com/lovingprince/archive/2009/06/03/4238695.aspx

http://www.yesky.com/243/1840743.shtml

 

Java为了提供平台无关性，在操作系统之上加入了一层JVM来隔离操作系统特定实现，使所编写的java代码在任何平台都能运行，但是JVM是特定于某一操作系统的

 

 

一、当JVM启动时，由三个类加载器对类进行加载：
1.bootstrap classloader

2.extension classloader
3.system classloader

 

（1）bootstrap classloader［ 引导类加载器］ 是由JVM实现的，不是java.lang.ClassLoader的子类 ，它负责加载Java的核心类，其加载的类由 sun.boot.class.path指定，或者在 执行java命令时使用-Xbootclasspath选项或使用-D选项指定sun.boot.class.path系统属性值

 

说明：

-Dproperty_name=property_value  指定属性的值；

-Xbootclasspath   改变虚拟机装载缺省系统运行包rt.jar，而从-Xbootclasspath中设定的搜索路径中装载系统运行类

 

输出加载的核心类库：

public class TestBootstrapClassLoader { public static void main(String[] args) { URL[] urls=sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs(); for (int i = 0; i < urls.length; i++) { System.out.println(urls[i].toExternalForm()); } } }

输出结果：

file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/lib/rt.jar
file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/lib/i18n.jar
file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/lib/jsse.jar
file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/lib/jce.jar
file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/lib/charsets.jar
file:/E:/MyEclipse%205.1.1%20GA/jre/classes

 

（2） extension classloader［扩展类加载器］ ，它负责加载JRE的扩展目录（JAVA_HOME/jre/lib/ext或者由java.ext.dirs系统属性指定的）中JAR的类包。这为引入除Java核心类以外的新功能提供了一个标准机制。在这个实例上调用方法getParent()总是返回空值null，因为引导加载器bootstrap classloader不是一个真正的ClassLoader实例。

class TestExtensionClassLoader { public static void main(String[] args) { System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs")); ClassLoader extensionClassloader=ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent(); System.out.println("the parent of extension classloader : "+extensionClassloader.getParent()); } }

输出结果：

E:/MyEclipse 5.1.1 GA/jre/lib/ext
the parent of extension classloader : null

以上这段代码也表明了下列父子关系或加载顺序：

bootstrap classloader(因其不是ClassLoader的子类，null)-->extension classloader-->system classloader

这也表明了jvm在加载类的顺序，当加载一个类时（假设其未加载），先找到最顶层的classloader，如果其可以加载这个类（或者已经加载了这个类），则返回这个类；如果其不能加载类（换个说法：在相应路径中搜索不到相应类），则用其子classloader加载，直到这个类被加载或者抛出相应的异常

这个顺序保证了越重要的类，越先加载；因为一个类只被加载一次（cache），所以如java.lang.System这个类，不能被用户替换(因为是按照bootstrap-->extension-->system的顺序，当要加载java.lang.System类时，其首先从bootstrap的搜索路径中找类）

（3）system/application classloader ［系统（应用）类加载器］ ，加载来自-classpath或者java.class.path系统属性或者CLASSPATH操作系统属性所指定的JAR类包和类路径。

a.可以通过静态方法ClassLoader.getSystemClassLoader()找到该类加载器。

b.如果没有特别指定，则用户自定义的任何类加载器都将该类加载器作为它的父加载器。可以从源代码看出这一点：

protected ClassLoader() { SecurityManager security = System.getSecurityManager(); if (security != null) { security.checkCreateClassLoader(); } this.parent = getSystemClassLoader(); initialized = true; }

classpath路径：

class TestSystemClassLoader { public static void main(String[] args) { System.out.println(System.getProperty("java.class.path")); } }
结果为：

E:/dev/java/eclipse/TestClassLoader/classes;E:/dev/java/lib/commons-logging-1.1.jar

 

重要：

classloader加载类用的是全盘负责委托机制。

a.全盘负责，即是当一个classloader加载一个Class的时候，这个Class所依赖的和引用的所有Class也由这个classloader负责载入，除非是显式的使用另外一个classloader载入 ；

b.委托机制则是先让parent类加载器 (而不是super，它与parent classloader类不是继承关系)寻找，只有在parent找不到的时候才从自己的类路径中去寻找。此外类加载还采用了cache机制，也就是如果 cache中保存了这个Class就直接返回它，如果没有才从文件中读取和转换成Class，并存入cache，这就是为什么我们修改了Class但是必须重新启动JVM才能生效的原因。

二、ClassLoader加载Class的过程
1.检测此Class是否载入过（即在cache中是否有此Class），如果有到8,如果没有到2
2.如果parent classloader不存在（没有parent，那parent一定是bootstrap classloader了），到4
3.请求parent classloader载入，如果成功到8，不成功到5
4.请求jvm从bootstrap classloader中载入，如果成功到8
5.寻找Class文件（从与此classloader相关的类路径中寻找）。如果找不到则到7.
6.从文件中载入Class，到8.
7.抛出ClassNotFoundException.
8.返回Class.

 

源代码如下：

ClassLoader类中 protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { // First, check if the class has already been loaded Class c = findLoadedClass(name); if (c == null) { try { if (parent != null) { c = parent.loadClass(name, false); } else { c = findBootstrapClass0(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { // If still not found, then invoke findClass in order // to find the class. c = findClass(name); } } if (resolve) { resolveClass(c); } return c; }

可以看到当在parent链classloader中和bootstrap classloader中都找不到相应的类时，会调用findClass方法，因此ClassLoader的子类可以重写这个方法，定义自己的找到类的方法

 

以下是一些类的ClassLoader示例：

class TestClassLoader { public static void main(String[] args) { System.out.println(System.class.getClassLoader()); System.out.println(javax.swing.JButton.class.getClassLoader()); System.out.println(sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService.class.getClassLoader()); System.out.println(org.apache.commons.logging.Log.class.getClassLoader()); } }

输出：

null        其路径在sun.boot.class.path中，由bootstrap classloader加载，所以返回为null（因其不是ClassLoader的子类）

null        其路径在sun.boot.class.path中，由bootstrap classloader加载
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7259da      路径在java.ext.dirs中，由extension classloader加载
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@197d257   由classpath指定，由system classloader加载

 

查看sun.misc.Launcher的源代码

public Launcher() { // Create the extension class loader ClassLoader extcl; try { extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader(); } catch (IOException e) { throw new InternalError( "Could not create extension class loader"); } // Now create the class loader to use to launch the application try { loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl); } catch (IOException e) { throw new InternalError( "Could not create application class loader"); } // Also set the context class loader for the primordial thread. Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader); // 其他 }

可以看到是由Launcher这个类初始化ExtClassLoader和AppClassLoader类的

ExtClassLoader无parent，而AppClassLoader的parent为 ExtClassLoader

 

Launcher的getClassLoader()方法

public ClassLoader getClassLoader() { return loader; } 只返回AppClassLoader

 

ExtClassLoader

static class ExtClassLoader extends URLClassLoader { private File[] dirs; /** * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created * within a context that limits which files it can read */ public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException { final File[] dirs = getExtDirs(); try { // Prior implementations of this doPrivileged() block supplied // aa synthesized ACC via a call to the private method // ExtClassLoader.getContext(). return (ExtClassLoader) AccessController.doPrivileged( new PrivilegedExceptionAction() { public Object run() throws IOException { int len = dirs.length; for (int i = 0; i < len; i++) { MetaIndex.registerDirectory(dirs[i]); } return new ExtClassLoader(dirs); } }); } catch (java.security.PrivilegedActionException e) { throw (IOException) e.getException(); } } ...... private static File[] getExtDirs() { String s = System.getProperty("java.ext.dirs"); File[] dirs; if (s != null) { StringTokenizer st = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator); int count = st.countTokens(); dirs = new File[count]; for (int i = 0; i < count; i++) { dirs[i] = new File(st.nextToken()); } } else { dirs = new File[0]; } return dirs; }

 

AppClassLoader

static class AppClassLoader extends URLClassLoader { public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader extcl) throws IOException { final String s = System.getProperty("java.class.path"); final File[] path = (s == null) ? new File[0] : getClassPath(s); // Note: on bugid 4256530 // Prior implementations of this doPrivileged() block supplied // a rather restrictive ACC via a call to the private method // AppClassLoader.getContext(). This proved overly restrictive // when loading classes. Specifically it prevent // accessClassInPackage.sun.* grants from being honored. // return (AppClassLoader) AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() { public Object run() { URL[] urls = (s == null) ? new URL[0] : pathToURLs(path); return new AppClassLoader(urls, extcl); } }); } ......

 

Launcher类的getBootstrapClassPath()方法

public static URLClassPath getBootstrapClassPath() { String prop = (String)AccessController.doPrivileged(new GetPropertyAction("sun.boot.class.path")); URL[] urls; if (prop != null) { final String path = prop; urls = (URL[])AccessController.doPrivileged( new PrivilegedAction() { public Object run() { File[] classPath = getClassPath(path); int len = classPath.length; Set seenDirs = new HashSet(); for (int i = 0; i < len; i++) { File curEntry = classPath[i]; // Negative test used to properly handle // nonexistent jars on boot class path if (!curEntry.isDirectory()) { curEntry = curEntry.getParentFile(); } if (curEntry != null && seenDirs.add(curEntry)) { MetaIndex.registerDirectory(curEntry); } } return pathToURLs(classPath); } } ); } else { urls = new URL[0]; } return new URLClassPath(urls, factory); }

从以上代码中可以看到bootstrap classloader使用sun.boot.class.path来加载类，extension classloader使用java.ext.dirs来加载类，而system classloader使用java.class.path来加载类

 

运行下列程序：

class Test1 { public static void main(String[] args) { System.out.println(sun.misc.Launcher.getLauncher().getClass().getClassLoader()); } }

结果为：

null

表明Launcher是由bootstrap classloader来加载的

 

三、关于Context ClassLoader

在上面Launcher的构造函数中有这么一句： Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader); 这句是设置当前线程的classloader，默认是使用的AppClassLoader

这个有什么作用呢?

当线程需要用到某个类，contextClassLoader被请求来载入该类

注意：

（1）Class.forName(String name)载入的是在系统中已经加载入sun.boot.class.path、 java.ext.dirs、 java.class.path路径中的类，而在这几个路径中未加入的类不能载入（报异常）

（2）Class.forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader)可以载入上述三个路径中没有的类，只要指定你的classloader即可

（3）利用ClassLoader可以载入在上述三个路径中没有的类

示例：

自定义ClassLoader，从c根目录中读class package Test; public class TestClassLoader extends ClassLoader { protected Map<String, Class> cache = new HashMap<String, Class>(); public TestClassLoader() { super(); } protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { if (cache.get(name) != null) { return cache.get(name); } try { String tname = name.replace('.', '/'); File file = new File("c://" + tname + ".class"); FileInputStream in = new FileInputStream(file); BufferedInputStream bufIn = new BufferedInputStream(in); ByteArrayOutputStream byteOut = new ByteArrayOutputStream(); BufferedOutputStream bufOut = new BufferedOutputStream(byteOut); byte[] buffer = new byte[4096]; int len = -1; while((len = bufIn.read(buffer)) != -1) { bufOut.write(buffer, 0, len); } bufOut.flush(); byteOut.flush(); byte[] data = byteOut.toByteArray(); Class cls = defineClass(name, data, 0, data.length); cache.put(name, cls); return cls; } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } return null; } } class TestLoader { public static void main(String[] args) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException { ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader(); System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " " + cl.toString()); new Thread() { public void run() { ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader(); System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " " + cl.toString()); TestClassLoader loader = new TestClassLoader(); Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader); new Thread() { public void run() { try { ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader(); System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " " + cl.toString()); //ClassLoader AbstractTestA test = (AbstractTestA) cl.loadClass("Test.TestAImp1").newInstance(); //Class.forName //AbstractTestA test = (AbstractTestA) Class.forName("Test.TestAImp1", true, cl).newInstance(); test.test(); } catch (InstantiationException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } catch (IllegalAccessException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } catch (ClassNotFoundException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } }.start(); } }.start(); } } //抽象类 package Test; public abstract class AbstractTestA { public String a; public void print() { System.out.println("a=" + a); } abstract public void test(); } //编译后放入c根目录 package Test; public class TestAImp1 extends AbstractTestA { public void test() { System.out.println(Thread.currentThread().toString()); System.out.println("Test"); } }

运行结果为：

Thread[main,5,main]  sun.misc.Launcher$AppClassLoader@197d257
Thread[Thread-0,5,main]  sun.misc.Launcher$AppClassLoader@197d257
Thread[Thread-1,5,main]  Test.TestClassLoader@1004901
Thread[Thread-1,5,main]
Test

这也表明了线程间ContextClassLoader的继承性：

（1）main线程默认的 ContextClassLoader为AppClassLoader

（2）新启动线程从原线程处继承 ContextClassLoader

 

四、关于ClassLoader和Package

其中：String(int offset, int len, char[] arr)为包访问权限

package java.lang; public class TestPackage { public static void main(String[] args) { char[] c = "1234567890".toCharArray(); String s = new String(0, 10, c); } }

此代码可以编译通过，但是运行时出现下列错误：

java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
 at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(Unknown Source)
 at java.lang.ClassLoader.defineClass(Unknown Source)
 at java.security.SecureClassLoader.defineClass(Unknown Source)
 at java.net.URLClassLoader.defineClass(Unknown Source)
 at java.net.URLClassLoader.access$100(Unknown Source)
 at java.net.URLClassLoader$1.run(Unknown Source)
 at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)

 

这表明：

Java语言规定，在同一个包中的class，如果没有修饰符，默认为Package权限，包内的class都可以访问。但是这还不够准确。确切的说，只有由同一个ClassLoader装载的class才具有以上的Package权限。比如Bootstrap classloader装载了java.lang.String，AppClassLoader装载了我们自己写的java.lang.TestPackage，它们不能互相访问对方具有Package权限的方法。这样就阻止了恶意代码访问核心类的Package权限方法。

 

五、关于两个ClassLoader载入同一个类

注意：由两个不同的ClassLoader载入的同一个类，其是不同类型的，因此如果进行赋值会报ClassCastException

示例：

package Test; import java.io.*; import java.util.*; public class TestClassLoader extends ClassLoader { protected Map<String, Class> cache = new HashMap<String, Class>(); public TestClassLoader() { super(); } protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { if (cache.get(name) != null) { return cache.get(name); } try { String tname = name.replace('.', '/'); File file = new File("c://" + tname + ".class"); FileInputStream in = new FileInputStream(file); BufferedInputStream bufIn = new BufferedInputStream(in); ByteArrayOutputStream byteOut = new ByteArrayOutputStream(); BufferedOutputStream bufOut = new BufferedOutputStream(byteOut); byte[] buffer = new byte[4096]; int len = -1; while((len = bufIn.read(buffer)) != -1) { bufOut.write(buffer, 0, len); } bufOut.flush(); byteOut.flush(); byte[] data = byteOut.toByteArray(); Class cls = defineClass(name, data, 0, data.length); cache.put(name, cls); return cls; } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } return null; } } class TestLoaderA { public static void main(String[] args) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException { TestClassLoader loader = new TestClassLoader(); System.out.println(TestAImp1.class.getClassLoader()); System.out.println(loader.findClass("Test.TestAImp1").getClassLoader()); TestAImp1 test = (TestAImp1)loader.findClass("Test.TestAImp1").newInstance(); test.test(); } } public class TestAImp1 extends AbstractTestA { public void test() { System.out.println(Thread.currentThread().toString()); System.out.println("Test"); } }

 运行以上代码结果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@197d257
Test.TestClassLoader@1b90b39
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: Test.TestAImp1
 at Test.TestLoaderA.main(TestClassLoader.java:84)