java的classLoader原理理解和分析

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发布时间：2019-05-26

本文共 8187 字，大约阅读时间需要 27 分钟。

相信大多数java程序员都知道classLoader的存在，但大家想过java为什么要设计java 类加载体系吗? java类加载体系的是如何工作的?

我带着这些问题,翻阅了相关资料,写下了本篇博客。

一, 为什么要设计类加载体系

1. 使用场景

我们先看看有哪些场景会使用到java 类加载体系:

1, java applet

这个东西估计很多人都没用过,比较古老. 但我们看看它的原理介绍就明白它是干什么的了.

它的原理如下:

含有Applet的网页的HTML文件代码中部带有<applet> 和</applet>这样一对标记，当支持Java的网络浏览器遇到这对标记时，就小应用程序代码并在本地计算机上执行该Applet.

也就是说,把java下载到本地,让本地的jvm来执行这段代码。这里面就涉及到类动态加载的相关接口。

2, tomcat,jboss等web服务器

因为tomcat.jboss本身就是java程序编写的web服务器,那么他们在加载相应的war包程序时,也涉及到类动态加载的相关接口.

还有一些像osgi等也需要涉及到类动态加载的接口.

这些场景都有下面2个特点:

1, 程序在运行期间才决定是否需要加载某类,而不是在程序启动时决定.

2, 程序在运行期间可能会替换或者移除某些类.

java的类加载体系满足上面的所有的需求,但还有一些更重要的原因促使java必须要有自己的类加载体系, 安全.这个原因我们后面了解了它的原理后会有更深刻的体会.

二, 类加载体系是如何工作的

首先我们需要了解,java类加载体系是什么.

看下面的代码:

public class ClassLoaderExample {    public static void main(String[] args) {        ClassLoader a = ClassLoaderExample.class.getClassLoader();        while(a != null){            System.out.println(a.toString());            a = a.getParent();        }    }}

上面的代码输出：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@47415dbf

sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1471cb25

就是说:

ClassLoaderExample 这个类是AppClassLoader这个类加载器加载的,AppClassLoader的父加载器是ExtClassLoader,ExtClassLoader的父加载器为null.

2.1 类加载方式

1，隐式加载 new A().

看下面的代码:

public class A {    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {        B b = new B();    }}class B {    static {        System.out.println("static B");    }}

编译: javac A.java

运行: java -verbose A

ps: -verbose 参数是把类加载的相关信息打印出来.

上面的输出如下:

.....

[Loaded A from file:/root/]

[Loaded B from file:/root/]

hello world.

.....

输出中去掉了其他一些加载信息,只保留了我们最关心的几行.

上面三行中一二行是加载 A,B类的相关信息,第三行是打印的语句.

上面的例子中 B b = new B();触发了B这个类的加载.

2，显示加载

Class.forname("xxxx") 或者 xxx

.class.getClassLoader().loadClass("xxxx");

看下面的代码:

public class A {    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {        //B b = new B();        Class.forName("B");        System.out.println("hello world.");    }}class B {    static {        System.out.println("static B");    }}

编译: javac A.java

运行: java -verbose A

ps: -verbose 参数是把类加载的相关信息打印出来.

上面的输出如下:

.....

[Loaded A from file:/root/]

[Loaded B from file:/root/]

static B

hello world.

.....

上面的例子，

Class.forname("B")，触发了B类的加载.

从输出可以看到, B类的static区域被加载后立即执行了.

我们再看看另外一种显示加载类的方式：

把class.forName换成了 classLoader的loadClass:

public class A {    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {        //B b = new B();//        Class.forName("B");        A.class.getClassLoader().loadClass("B");        System.out.println("hello world.");    }}class B {    static {        System.out.println("static B");    }}

编译运行，输出如下：

....

[Loaded A from file:/root/]

[Loaded B from file:/root/]

hello world.

.....

可以看到A.class.getClassLoader().loadClass("B");同样触发了B类的加载,但和Class.forName("B");不同的是static区域并没有被执行.

我们再看下面的代码:

public static void main(String[] args) throws SQLException, ClassNotFoundException {//        B b = new B();        classForName();        System.out.println("hello world.");    }    public static void classForName() throws ClassNotFoundException, SQLException {        Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");        String url  = "xxxx";        String pwd = "xxx";        String userNmae = "xxx";        DriverManager.getConnection(url,userNmae,pwd);    }

com.mysql.jdbc.Driver

这段代码很熟悉吧. 刚学编程时,基本上所有的同学都会接触这段代码.这句Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver"); 到底是干什么的?

我们来看看com.mysql.jdbc.Driver的实现:

public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver {    public Driver() throws SQLException {    }    static {        try {            DriverManager.registerDriver(new Driver());        } catch (SQLException var1) {            throw new RuntimeException("Can\'t register driver!");        }    }

非常简单,只有一个无参构造函数和 static区域.

Class.forName的作用就是告诉JVM把com.mysql.jdbc.Driver这个类加载进来,并注册到DriverManger上,以便后面的DriverManager.getConnection(url,userNmae,pwd)使用.

2.2 委派模式

现在我们知道了jvm加载类的几种方式，加载的实现是什么呢? 相信大家都听说过,叫双亲委派或代理模式.

我们直接看classLoader的实现源码里,加载类的方式(ClassLoader.loadClass(String name,boolean resolve)方法):

protected Class
     loadClass(String name, boolean resolve)    throws ClassNotFoundException{    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {        // First, check if the class has already been loaded        Class c = findLoadedClass(name);        if (c == null) {            long t0 = System.nanoTime();            try {                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();                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;    }}

重要的代码是这段:

if (parent != null) {

c = parent.loadClass(name, false);

} else {

c = findBootstrapClassOrNull(name);

}

就是说如果, parent不为空,把类的加载一直委派给parent加载,如果父亲为空，则在 c = findBootstrapClassOrNull(name);

如果依然找不到，则:

c = findClass(name); 由自己的类加载器加载.

他们的委派关系总结下如图：

程序员编写的程序首先由appclassLoader加载，appclassLoader委派给它的父loader extcalssLoader，extclassLoader再在bootstrapClasssLoader里找，找不到则依次下沉返回，找到为止。

这样的委派模式有什么好处?

安全！试想用户自己写了一个java.lang.String的类，如果没有委派模式，jvm加载了这个类，那么其它类中所有引用String的类的地方都从jre自带的java.lang.String被替换成了用户的java.lang.String类。那么很多功能和性能可能都不如jre自带的String.而且会造成严重的安全问题。

注意：ExtClassLoader 到 bootstrapClasssLoader之间是条虚线，也就是说,ExtClassLoader 的父加载器并不是bootstrapClasssLoader，只是在extcalssLoader里找不到时,去bootstrapClasssLoader里找。

从上面classLoader的loadclass方法里用的是

if (parent != null) {

xxxx

}else{

xxxx

} 可以看出来.

2.3 类加载时相关的异常

相信大多数人都遇到过下面这2个异常:

1).

classNotFoundException

看下面的代码:

public class A {    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {        Class.forName("C");    }}class B {    static {        System.out.println("static B");    }}

编译运行上面的代码:

Exception in thread "main" java.lang.ClassNotFoundException: C

at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:202)

at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)

at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:190)

at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:306)

at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:301)

at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:247)

at java.lang.Class.forName0(Native Method)

at java.lang.Class.forName(Class.java:171)

at A.main(A.java:9)

在执行上面的委派模式后，appclassLoader在classpath中并没有找到C这个类,直接抛出ClassNotFoundException异常.

2). NoClassDefFoundError

看下面的代码:

public class A {    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {        B b = new B();    }}class B{    C c = new C();    static{        System.out.println("static B");    }}class C{}

编译: javac A.java

运行: java A

输出: static B

如果这时，我们把C.class删掉.

再次运行: java A，输出如下:

static B

Exception in thread "main" java.lang.NoClassDefFoundError: C

at B.<init>(A.java:14)

at A.main(A.java:9)

Caused by: java.lang.ClassNotFoundException: C

at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:202)

at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)

at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:190)

at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:306)

at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:301)

at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:247)

... 2 more

出现了 NoClassDefFoundError错误。

注意: 我们后面的代码从 Class.forName("B") 改成了 B b = new B()，如果用Class.forName("B")，并不会抛出错误,因为static区域并没有触发加载C的动作，new B() 触发 new C(),new C()触发C的加载，出现了C的 NoClassDefFoundError错误.

下次再出现这2种错误了，我们应该知道它的原理了。