类加载器与双亲委派机制

原创已于 2024-11-02 18:02:26 修改 · 957 阅读

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#类加载器 #双亲委派

于 2024-11-02 10:56:38 首次发布

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类加载器

在Java虚拟机（JVM）中，类加载器（Class Loader）是负责将字节码文件加载到内存中并转换为类对象的组件。类加载器的主要任务是将 .class 文件加载到 JVM 中，以便程序能够使用这些类。JVM中的类加载器机制是Java平台的关键部分，它实现了Java的动态类加载特性。

JVM的类加载器

Bootstrap ClassLoader（引导类加载器）
这是最基础的类加载器，由JVM自身实现，负责加载JRE核心库中的类（例如 java.lang.、java.util. 等）。引导类加载器直接使用本地代码来实现，它不会继承自 java.lang.ClassLoader 类。引导类加载器负责加载/lib目录下的类。
Extensions ClassLoader（扩展类加载器）
Java中的实现类为ExtClassLoader，负责加载Java扩展库中的类，通常位于 JAVA_HOME/lib/ext 目录下。它是由 java.lang.ClassLoader 类的子类实现的。扩展类加载器用于加载一些标准扩展的类库，如加密、图形处理等功能扩展包。
Application ClassLoader（应用程序类加载器）
Java中的实现类为AppClassLoader，是与我们接触最多的类加载器，开发人员写的代码默认由它来加载，ClassLoader.getSystemClassLoader返回的就是它。也称为系统类加载器，负责加载应用程序的类路径（classpath）下的类，包括我们编写的自定义类以及第三方库。它通常是类加载层次结构中最高级别的加载器，大多数应用程序的类加载都通过该加载器来完成。

类加载器的工作机制

Java中类的加载过程分为三个阶段：加载、连接和初始化。

加载：通过类的全限定名查找字节码文件，并将其加载到内存中，生成 java.lang.Class 对象。
连接：将类文件中的符号引用解析为直接引用，并进行类的验证、准备和解析等过程。
初始化：为类的静态变量赋值，并执行静态初始化块（static 块）。

双亲委派机制

类加载器采用了双亲委派模型，即一个类加载器在加载类时，会首先委托其父加载器来加载，只有当父加载器无法找到该类时，才会尝试自己加载。这一机制确保了Java核心类库的安全性和一致性，避免了类的重复加载。

Bootstrap ClassLoader 没有父加载器，它会直接加载核心类库；
Extension ClassLoader 将委托给 Bootstrap ClassLoader；
Application ClassLoader 将委托给 Extension ClassLoader。

Android中的类加载器

在Android中，类加载器的工作方式与Java标准中的类加载机制类似，但为了适应移动环境的特殊需求，Android对类加载器进行了优化和扩展。Android的类加载器主要用于加载 .dex 文件（Dalvik/ART Executable）而非标准的 .class 文件，这些 .dex 文件是经过优化的，适用于Android的Dalvik虚拟机和ART运行时环境。

BootClassLoader（引导类加载器）
和Java中的Bootstrap ClassLoader类似，负责加载Android核心框架和库文件中的类，如Java标准库和Android基础框架的类。由系统提供，确保这些类优先加载。BootClassLoader 是内置的，不暴露给开发者，也无法直接访问。
PathClassLoader（路径类加载器）
PathClassLoader 用于加载应用程序的代码和资源，即开发者自己的代码和依赖库（如 .dex 文件和 .apk 文件）。其加载路径是应用的安装路径和 libs 目录，通常用于加载应用的主类和标准库，不支持加载外部的 .jar 文件。
PathClassLoader 可以在应用的 ClassLoader 层次结构中被直接访问，并通过 getClassLoader() 方法获取。
DexClassLoader
DexClassLoader 是Android特有的类加载器，允许在运行时加载动态 .dex 文件或 .jar 文件。这在Java标准中没有对应的类加载器。可以加载存储在外部存储中的 .dex 或 .jar 文件，常用于插件化开发和动态加载第三方库。DexClassLoader 可以灵活加载动态 .dex 文件，这在应用需要动态更新或加载新功能模块时非常实用。

Android中的双亲委派

Android的类加载器仍然采用双亲委派模型，确保系统类优先加载，避免与应用类发生冲突。这意味着 BootClassLoader 会先加载系统库和框架类，只有当上层类加载器无法加载某个类时，才会尝试由应用的 PathClassLoader 或 DexClassLoader 来加载。
Android将 .class 文件转化为 .dex 文件，以优化内存使用和执行效率。 .dex 文件可以包含多个类，并且经过压缩和优化，便于在移动设备上的高效加载。Android的 DexClassLoader 和 PathClassLoader 都能将 .dex 文件加载到内存中。

Android中查看特定类的类加载器信息

新建一个Native C++项目，在onCreate方法里添加代码

        ClassLoader thisclassloader = MainActivity.class.getClassLoader();
        ClassLoader stringclassloader = String.class.getClassLoader();
        Log.d("classloader","MainActivity is in "+thisclassloader.toString());
        Log.d("classloader","String is in "+stringclassloader.toString());

在这里插入图片描述
可以看到打印出来的一些信息

MainActivity is in dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.example.classloader01-Kjp6QH8dtZClZJTtM2hgBg==/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.example.classloader01-Kjp6QH8dtZClZJTtM2hgBg==/lib/arm64, /data/app/com.example.classloader01-Kjp6QH8dtZClZJTtM2hgBg==/base.apk!/lib/arm64-v8a, /system/lib64]]]

String is in java.lang.BootClassLoader@16fc266

MainActivity 被 PathClassLoader 加载，这是Android应用中常见的类加载器，主要用于加载应用的 .dex 文件和库。PathClassLoader 的描述中包含了zip file 路径：这是 base.apk 的文件路径，即应用的主要 APK 文件；nativeLibraryDirectories 路径：这是包含本地库（如 .so 文件）的目录，在 64 位设备上包含 /lib/arm64 和 /lib/arm64-v8a，以及系统目录 /system/lib64。
String 类是由 BootClassLoader 加载的，日志中显示了其为 java.lang.BootClassLoader@16fc266。在Android中，BootClassLoader 是用来加载核心Java类库（如 java.lang.、java.util. 等）。

分析源码

ClassLoader
在源码中找到ClassLoader类，发现它是一个抽象类

PathClassLoader
在源码中查找PathClassLoader类，发现它是在dalvik.system包下的类，继承自BaseDexClassLoader

package dalvik.system;
public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, null, parent);
    }
    public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
    }
}

BaseDexClassLoader
去源码中找BaseDexClassLoader类，发现它也是在dalvik.system包下的类，继承自ClassLoader类
parent属性
parent属性是ClassLoader类的属性，它的类型是ClassLoader，它就是父加载器了
getParent()方法
getParent方法是ClassLoader类的类方法，用于获取当前类加载器的父类加载器。

写一个函数用来打印父加载器

    public static void printClassLoader(ClassLoader classLoader){
        Log.e("printClassLoader ","this->"+classLoader.toString());
        ClassLoader parent = classLoader.getParent();
        if (parent==null){
            Log.e("printClassLoader","parent is null");
        } else {
            while (parent!=null){
                Log.e("printparentClassLoader ","parent->"+parent.toString());
                parent=parent.getParent();
                if (parent==null){
                    Log.e("printClassLoader","parent is null");
                }
            }
        }
    }

把MainActivity类的ClassLoader作为参数传进去
printClassLoader(thisclassloader); 在这里插入图片描述
根据下面结果可以知道PathClassLoader的父加载器是BootClassLoader，BootClassLoader的父类加载器是null

this->dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.example.classloadertest-epsw2WZfB2ncDxfrINyUmg==/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.example.classloadertest-epsw2WZfB2ncDxfrINyUmg==/lib/arm64, /data/app/com.example.classloadertest-epsw2WZfB2ncDxfrINyUmg==/base.apk!/lib/arm64-v8a, /system/lib64]]]
parent->java.lang.BootClassLoader@84d413c
parent is null

把String类的ClassLoader作为参数传进去
printClassLoader(stringclassloader);

BootClassLoader的父类加载器是null

使用类加载器加载类

使用thisclassloader加载MainActivity

        try {
            Class MainActivityClass = thisclassloader.loadClass("com.example.classloadertest.MainActivity");
            Log.e("classloadertest","load MainActivity success"+MainActivityClass.toString());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

thisclassloader是PathClassLoader加载器，它可以加载MainActivity类
在这里插入图片描述

使用stringclassloader加载MainActivity

        try {
            Class MainActivityClass = stringclassloader.loadClass("com.example.classloadertest.MainActivity");
            Log.e("classloadertest","load MainActivity success!"+MainActivityClass.toString());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

stringclassloader是BootClassLoader加载器，无法加载MainActivity，会触发异常
在这里插入图片描述

使用thisclassloader加载String类

        try {
            Class StringClass = thisclassloader.loadClass("java.lang.String");
            Log.e("classloadertest","load java.lang.String success!"+StringClass.toString());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

thisclassloader是PathClassLoader加载器，它的父加载器是BootClassLoader加载器，可以加载String类。在这里插入图片描述

使用stringclassloader加载String类

        try {
            Class StringClass = stringclassloader.loadClass("java.lang.String");
            Log.e("classloadertest","load java.lang.String success!"+StringClass.toString());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }