Java类加载机制详解

一.类加载器及双亲委派机制

类加载器	加载类	备注
启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）	JAVA_HOME/jre/lib	无上级，无法直接访问 由jvm加载
拓展类加载器（Extension ClassLoader）	JAVA_HOME/jre/lib/ext	父加载器为 Bootstrap，显示为 null 。该类由Bootstrap加载
应用类加载器（Application ClassLoader)	classpath	父加载器上级为 Extension,该类由Bootstrap加载
自定义类加载器	自定义路径	父加载器为 Application,该类由Application ClassLoader加载

1.类加载器继承结构

2. 类加载器的核心方法

方法名	说明
getParent()	返回该类加载器的父类加载器
findClass(String name)	查找名字为name的类，返回的结果是java.lang.Class类的实例
loadClass(String name)	加载名为name的类，返回java.lang.Class类的实例
defineClass(String name,byte[] b,int off,int len)	根据字节数组b中的数据转化成Java类，返回的结果是java.lang.Class类的实例

3. Launcher类源码解析

public class Launcher {
    private static URLStreamHandlerFactory factory = new Factory();
    private static Launcher launcher = new Launcher();
    // 启动类加载器加载路径
    private static String bootClassPath =
        System.getProperty("sun.boot.class.path");

    public static Launcher getLauncher() {
        return launcher;
    }

    private ClassLoader loader;

    public Launcher() {
        // Create the extension class loader
        ClassLoader extcl;
        try {
            // 获取扩展类加载器
            extcl = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create extension class loader", e);
        }

        // Now create the class loader to use to launch the application
        try {
            // 获取应用类加载器
            loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
        } catch (IOException e) {
            throw new InternalError(
                "Could not create application class loader", e);
        }

        // Also set the context class loader for the primordial thread.
        // 设置线程上下文类加载器为应用类加载器
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
    }

 
    /*
     * The class loader used for loading installed extensions.
     */
    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {

       
        private static volatile ExtClassLoader instance = null;

        /**
         * create an ExtClassLoader. The ExtClassLoader is created
         * within a context that limits which files it can read
         */
        public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException
        {
            if (instance == null) {
                synchronized(ExtClassLoader.class) {
                    if (instance == null) {
                        instance = createExtClassLoader();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
        /**
         * 获取加载路径
         */
        private static File[] getExtDirs() {
            // 扩展类加载器加载路径
            String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
        }

    }

    /**
     * The class loader used for loading from java.class.path.
     * runs in a restricted security context.
     */
    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {

        public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader extcl)
            throws IOException
        {
            // 应用类加载器加载路径
            final String s = System.getProperty("java.class.path");
            final File[] path = (s == null) ? new File[0] : getClassPath(s);
            return AccessController.doPrivileged(
                new PrivilegedAction<AppClassLoader>() {
                    public AppClassLoader run() {
                    URL[] urls =
                        (s == null) ? new URL[0] : pathToURLs(path);
                    return new AppClassLoader(urls, extcl);
                }
            });
        }
}

4. ClassLoader类源码解析

public abstract class ClassLoader { 

   protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            // 从系统缓存中获取
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                     // 委托父加载器加载 
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    // 自己加载，从指定路径
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

    // 自定义类加载器需要重写该方法
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

}

5. 双亲委派机制优缺点

优点：

1、保证安全性，层级关系代表优先级，也就是所有类的加载，优先给启动类加载器，这样就保证了核心类库类

2、避免类的重复加载，如果父类加载器加载过了，子类加载器就没有必要再去加载了，确保一个类的全局唯一性

缺点：

检查类是否加载的委派过程是单向的， 这个方式虽然从结构上说比较清晰，使各个 ClassLoader 的职责非常明确， 但是同时会带来一个问题， 即顶层的ClassLoader 无法访问底层的ClassLoader 所加载的类

通常情况下， 启动类加载器中的类为系统核心类， 包括一些重要的系统接口，而在应用类加载器中， 为应用类。 按照这种模式， 应用类访问系统类自然是没有问题， 但是系统类访问应用类就会出现问题。

二.spi接口及线程上下文类加载器

1.spi接口定义及线程上下文加载的作用

Java提供了很多核心接口的定义，这些接口被称为SPI接口。（Service Provider Interface，SPI），允许第三方为这些接口提供实现。常见的 SPI 有 JDBC、JCE、JNDI、JAXP 和 JBI 等。

这些 SPI 的接口由 Java 核心库来提供，而这些 SPI 的实现代码则是作为 Java 应用所依赖的 jar 包被包含进类路径（CLASSPATH）里。SPI接口中的代码经常需要加载具体的实现类。那么问题来了，SPI的接口是Java核心库的一部分，是由启动类加载器(Bootstrap Classloader)来加载的；SPI的实现类是由系统类加载器(System ClassLoader)来加载的。引导类加载器是无法找到 SPI 的实现类的，因为依照双亲委派模型，BootstrapClassloader无法委派AppClassLoader来加载类。而线程上下文类加载器破坏了"双亲委派模型"，可以在执行线程中抛弃双亲委派加载链模式，使程序可以逆向使用类加载器。

    类加载传导规则：JVM 会选择当前类的类加载器来加载所有该类的引用的类。例如我们定义了 TestA 和 TestB 两个类，TestA 会引用 TestB，只要我们使用自定义的类加载器加载 TestA，那么在运行时，当 TestA 调用到 TestB 的时候，
TestB 也会被 JVM 使用 TestA 的类加载器加载。依此类推，只要是 TestA 及其引用类关联的所有 jar 包的类都会被自定义类加载器加载。通过这种方式，我们只要让模块的 main 方法类使用不同的类加载器加载，那么每个模块的都会使用 main 
方法类的类加载器加载的，这样就能让多个模块分别使用不同类加载器。这也是 OSGi 和 SofaArk 能够实现类隔离的核心原理。

2. spi加载原理

当第三方实现者提供了服务接口的一种实现之后，在jar包的 META-INF/services/ 目录里同时创建一个以服务接口命名的文件，该文件就是实现该服务接口的实现类。而当外部程序装配这个模块的时候，就能通过该jar包 META-INF/services/ 里的配置文件找到具体的实现类名，并装载实例化，完成模块的注入。

JDK官方提供了一个查找服务实现者的工具类：java.util.ServiceLoader

public final class ServiceLoader<S>
    implements Iterable<S>
{

     // 加载spi接口实现类配置文件固定路径
    private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
   /**
     * Creates a new service loader for the given service type, using the
     * current thread's {@linkplain java.lang.Thread#getContextClassLoader
     * context class loader}.
     *
     * <p> An invocation of this convenience method of the form
     *
     * <blockquote><pre>
     * ServiceLoader.load(<i>service</i>)</pre></blockquote>
     *
     * is equivalent to
     *
     * <blockquote><pre>
     * ServiceLoader.load(<i>service</i>,
     *                    Thread.currentThread().getContextClassLoader())</pre></blockquote>
     *
     * @param  <S> the class of the service type
     *
     * @param  service
     *         The interface or abstract class representing the service
     *
     * @return A new service loader
     */
    public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
        // 线程上下文类加载器 
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        return ServiceLoader.load(service, cl);
    }
}

3.示列代码

代码：

public interface IShout {
    void shout();
}

public class Dog implements IShout {
    @Override
    public void shout() {
        System.out.println("wang wang");
    }
}
public class Cat implements IShout {
    @Override
    public void shout() {
        System.out.println("miao miao");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ServiceLoader<IShout> shouts = ServiceLoader.load(IShout.class);
        for (IShout s : shouts) {
            s.shout();
        }
    }
}

配置：

4.MySQL驱动类加载

// 加载Class到AppClassLoader（系统类加载器），然后注册驱动类
//Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver").newInstance();
String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/testdb";
// 通过java库获取数据库连接
Connection conn = java.sql.DriverManager.getConnection(url, "name", "password");



public class DriverManager {
    static {
        loadInitialDrivers();
        println("JDBC DriverManager initialized");
    }
private static void loadInitialDrivers() {
         。。。。。。。
        AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
            public Void run() {

                ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
                Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();

                /* Load these drivers, so that they can be instantiated.
                 * It may be the case that the driver class may not be there
                 * i.e. there may be a packaged driver with the service class
                 * as implementation of java.sql.Driver but the actual class
                 * may be missing. In that case a java.util.ServiceConfigurationError
                 * will be thrown at runtime by the VM trying to locate
                 * and load the service.
                 *
                 * Adding a try catch block to catch those runtime errors
                 * if driver not available in classpath but it's
                 * packaged as service and that service is there in classpath.
                 */
                try{
                    while(driversIterator.hasNext()) {
                        driversIterator.next();
                    }
                } catch(Throwable t) {
                // Do nothing
                }
                return null;
            }
        });

        println("DriverManager.initialize: jdbc.drivers = " + drivers);

        if (drivers == null || drivers.equals("")) {
            return;
        }
        String[] driversList = drivers.split(":");
        println("number of Drivers:" + driversList.length);
        for (String aDriver : driversList) {
            try {
                println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
                Class.forName(aDriver, true,
                        ClassLoader.getSystemClassLoader());
            } catch (Exception ex) {
                println("DriverManager.Initialize: load failed: " + ex);
            }
        }
    }
}

三.自定义动态类加载器

1.示例代码

public class DynamicClassLoad extends ClassLoader{

    public static void main(String[] args) {

        Executors.newSingleThreadScheduledExecutor().scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    DynamicClassLoad myClassLoad = new DynamicClassLoad();
                    Class clazz = myClassLoad.findClass("/Users/wangzhaoqing1/Desktop/MyTest.class");
                    Object obj = clazz.newInstance();
                    Method sayHello = clazz.getDeclaredMethod("sayHello");
                    sayHello.invoke(obj, null);
                } catch (Throwable e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, 1, 2, TimeUnit.SECONDS);
    }


    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        File file = new File(name);
        try {
            byte[] bytes = FileUtils.readFileToByteArray(file);
            Class<?> c = this.defineClass(null, bytes, 0, bytes.length);
            return c;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return super.findClass(name);
    }
}

// DynamicClassLoad启动后，修改本类重新编译
public class MyTest {

    public void  sayHello(){
        System.out.println("hello wzq 6666666666");
    }
}

作者：京东零售 王照清

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