Java ClassLoader详解


　类加载器是 Java 语言的一个创新，也是 Java 语言流行的重要原因之一。它使得 Java 类可以被动态加载到 Java 虚拟机中并执行。类加载器从 JDK 1.0 就出现了，最初是为了满足 Java Applet 的需要而开发出来的。Java Applet 需要从远程下载 Java 类文件到浏览器中并执行。现在类加载器在 Web 容器和 OSGi 中得到了广泛的使用。一般来说，Java 应用的开发人员不需要直接同类加载器进行交互。Java 虚拟机默认的行为就已经足够满足大多数情况的需求了。不过如果遇到了需要与类加载器进行交互的情况，而对类加载器的机制又不是很了解的话，就很容易花大量的时间去调试 ClassNotFoundException 和 NoClassDefFoundError 等异常。本文将详细介绍 Java 的类加载器，帮助读者深刻理解 Java 语言中的这个重要概念。下面首先介绍一些相关的基本概念。
　　类加载器基本概念
　　顾名思义，类加载器（class loader）用来加载 Java 类到 Java 虚拟机中。一般来说，Java 虚拟机使用 Java 类的方式如下：Java 源程序（.java 文件）在经过 Java 编译器编译之后就被转换成 Java 字节代码（.class 文件）。类加载器负责读取 Java 字节代码，并转换成 java.lang.Class 类的一个实例。每个这样的实例用来表示一个 Java 类。通过此实例的 newInstance()方法就可以创建出该类的一个对象。实际的情况可能更加复杂，比如 Java 字节代码可能是通过工具动态生成的，也可能是通过网络下载的。
　　基本上所有的类加载器都是 java.lang.ClassLoader 类的一个实例。下面详细介绍这个 Java 类。
　　java.lang.ClassLoader 类介绍
　　java.lang.ClassLoader 类的基本职责就是根据一个指定的类的名称，找到或者生成其对应的字节代码，然后从这些字节代码中定义出一个 Java 类，即 java.lang.Class 类的一个实例。除此之外，ClassLoader 还负责加载 Java 应用所需的资源，如图像文件和配置文件等。不过本文只讨论其加载类的功能。为了完成加载类的这个职责，ClassLoader 提供了一系列的方法，比较重要的方法如 表 1 所示。关于这些方法的细节会在下面进行介绍。
　　表 1. ClassLoader 中与加载类相关的方法
　　方法 说明
　　getParent() 返回该类加载器的父类加载器。
　　loadClass(String name) 加载名称为 name 的类，返回的结果是 java.lang.Class 类的实例。
　　findClass(String name) 查找名称为 name 的类，返回的结果是 java.lang.Class 类的实例。
　　findLoadedClass(String name) 查找名称为 name 的已经被加载过的类，返回的结果是 java.lang.Class 类的实例。
　　defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) 把字节数组 b 中的内容转换成 Java 类，返回的结果是 java.lang.Class 类的实例。这个方法被声明为 final 的。
　　resolveClass(Class<?> c) 链接指定的 Java 类。
　　对于 表 1 中给出的方法，表示类名称的 name 参数的值是类的二进制名称。需要注意的是内部类的表示，如 com.example.Sample$1 和 com.example.Sample$Inner 等表示方式。这些方易做图在下面介绍类加载器的工作机制时，做进一步的说明。下面介绍类加载器的树状组织结构。
　　类加载器的树状组织结构
　　Java 中的类加载器大致可以分成两类，一类是系统提供的，另外一类则是由 Java 应用开发人员编写的。系统提供的类加载器主要有下面三个：
　　引导类加载器（bootstrap class loader）：它用来加载 Java 的核心库，是用原生代码来实现的，并不继承自 java.lang.ClassLoader。
　　扩展类加载器（extensions class loader）：它用来加载 Java 的扩展库。Java 虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。该类加载器在此目录里面查找并加载 Java 类。
　　系统类加载器（system class loader）：它根据 Java 应用的类路径（CLASSPATH）来加载 Java 类。一般来说，Java 应用的类都是由它来完成加载的。可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader() 来获取它。
　　除了系统提供的类加载器以外，开发人员可以通过继承 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。
　　除了引导类加载器之外，所有的类加载器都有一个父类加载器。通过 表 1 中给出的 getParent() 方法可以得到。对于系统提供的类加载器来说，系统类加载器的父类加载器是扩展类加载器，而扩展类加载器的父类加载器是引导类加载器；对于开发人员编写的类加载器来说，其父类加载器是加载此类加载器 Java 类的类加载器。因为类加载器 Java 类如同其它的 Java 类一样，也是要由类加载器来加载的。一般来说，开发人员编写的类加载器的父类加载器是系统类加载器。类加载器通过这种方式组织起来，形成树状结构。树的根节点就是引导类加载器。图 1 中给出了一个典型的类加载器树状组织结构示意图，其中的箭头指向的是父类加载器。
　　图 1. 类加载器树状组织结构示意图
　　代码清单 1 演示了类加载器的树状组织结构。
　　清单 1. 演示类加载器的树状组织结构
　　public class ClassLoaderTree {
　　public static void main(String[] args) {
　　ClassLoader loader = ClassLoaderTree.class.getClassLoader();
　　while (loader != null) {
　　System.out.println(loader.toString());
　　loader = loader.getParent();
　　}
　　}
　　}
　　每个 Java 类都维护着一个指向定义它的类加载器的引用，通过 getClassLoader() 方法就可以获取到此引用。代码清单 1 中通过递归调用 getParent() 方法来输出全部的父类加载器。代码清单 1 的运行结果如 代码清单 2 所示。
　　清单 2. 演示类加载器的树状组织结构的运行结果
　　sun.misc.Launcher$AppClassLoader@9304b1
　　sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@190d11
　　如 代码清单 2 所示，第一个输出的是 ClassLoaderTree 类的类加载器，即系统类加载器。它是 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 类的实例；第二个输出的是扩展类加载器，是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 类的实例。需要注意的是这里并没有输出引导类加载器，这是由于有些 JDK 的实现对于父类加载器是引导类加载器的情况，getParent() 方法返回 null。
　　在了解了类加载器的树状组织结构之后，下面介绍类加载器的代理模式。
　　类加载器的代理模式
　　类加载器在尝试自己去查找某个类的字节代码并定义它时，会先代理给其父类加载器，由父类加载器先去尝试加载这个类，依次类推。在介绍代理模式背后的动机之前，首先需要说明一下 Java 虚拟机是如何判定两个 Java 类是相同的。Java 虚拟机不仅要看类的全名是否相同，还要看加载此类的类加载器是否一样。只有两者都相同的情况，才认为两个类是相同的。即便是同样的字节代码，被不同的类加载器加载之后所得到的类，也是不同的。比如一个 Java 类 com.example.Sample，编译之后生成了字节代码文件 Sample.class。两个不同的类加载器 ClassLoaderA 和 ClassLoaderB 分别读取了这个 Sample.class 文件，并定义出两个 java.lang.Class 类的实例来表示这个类。这两个实例是不相同的。对于 Java 虚拟机来说，它们是不同的类。试图对这两个类的对象进行相互赋值，会抛出运行时异常 ClassCastException。下面通过示例来具体说明。代码清单 3 中给出了 Java 类 com.example.Sample。
　　清单 3. com.example.Sample 类
　　package com.example;
　　public class Sample {
　　private Sample instance;
　　public void setSample(Object instance) {
　　this.instance = (Sample) instance;
　　}
　　}
　　如 代码清单 3 所示，com.example.Sample 类的方法 setSample 接受一个 java.lang.Object 类型的参数，并且会把该参数强制转换成 com.example.Sample 类型。测试 Java 类是否相同的代码如 代码清单 4 所示。
　　清单 4. 测试 Java 类是否相同
　　public void testClassIdentity() {
　　String classDataRootPath = "C:\workspace\Classloader\classData";
　　FileSystemClassLoader fscl1 = new FileSystemClassLoader(classDataRootPath);
　　FileSystemClassLoader fscl2 = new FileSystemClassLoader(classDataRootPath);
　　String className = "com.example.Sample";
　　try {
　　Class<?> class1 = fscl1.loadClass(className);
　　Object obj1 = class1.newInstance();
　　Class<?> class2 = fscl2.loadClass(className);
　　Object obj2 = class2.newInstance();
　　Method setSampleMethod = class1.getMethod("setSample", java.lang.Object.class);
　　setSampleMethod.invoke(obj1, obj2);
　　} catch (Exception e) {
　　e.printStackTrace();
　　}
　　}
代码清单 4 中使用了类 FileSystemClassLoader 的两个不同实例来分别加载类 com.example.Sample，得到了两个不同的 java.lang.Class 的实例，接着通过 newInstance() 方法分别生成了两个类的对象 obj1 和 obj2，最后通过 Java 的反射 API 在对象 obj1 上调用方法 setSample，试图把对象 obj2 赋值给 obj1 内部的 instance 对象。代码清

补充：软件开发 , Java ,