Java類加載器ClassLoader詳解
以下文章都是基于JDK1.8環(huán)境
一、類的加載過程
JDK8引用的都是jar包
JDK11引用的都是model
我們編寫的".java"文件需要通過javac編譯成".class"文件，而程序運行時，JVM會把".class"文件加載到內(nèi)存中，并創(chuàng)建對應(yīng)的class對象，這個過程被稱為類的加載。
簡單來說：將class文件讀入內(nèi)存，并為之創(chuàng)建一個Class對象。
JVM運行的是class文件，不單單是java語言，無論哪種語言編寫的，只要文件是.class類型的，就能夠在JVM上運行。
學習類加載器的目的：使用類加載器可以讓我們得代碼7*24小時，不間斷地運行。即修改代碼后無需重啟就能生效，類似于熱部署。
二、默認的類加載器
JVM通過類加載器把“.class”文件加載到內(nèi)存中，默認有 3 個類加載器，分別是：
- Bootstrap ClassLoader 啟動類加載器
- ExtClassLoader 擴展類加載器
- AppClassLoader 系統(tǒng)類加載器(應(yīng)用類加載器)
三個類加載器各有不同的作用
(一)Bootstrap ClassLoader1.基本介紹
作用：加載JDK核心類庫（String，Integer，Long，ArrayList等等）
方式：加載某個類時，在指定的路徑中（Jar包或文件夾）搜索這個類，如果搜到就加載，如果沒搜到，報：ClassNotFoundException
搜索路徑：由 sun.boot.class.path 所指定的，比如：%JRE_HOME%\jre\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar等，也就是JDK核心類庫，其中 rt.jar 里面就存放著常用的 JAVA API
代碼演示：
public static void main(String[] args) {
// 輸出String類是被哪個類加載器，加載到內(nèi)存中
System.out.println(String.class.getClassLoader());
// 獲取系統(tǒng)配置
// bootstrap生效的時候會去sun.boot.class.path路徑下找對應(yīng)的類
String paths = System.getProperty("sun.boot.class.path");
// windows下使用;分隔
// linux使用:分隔
String[] arr = paths.split(";");
for (String s : arr) {
System.out.println(s);
}
}返回結(jié)果：
為什么String.class.getClassLoader() 返回null?
原因是：Bootstrap ClassLoader是由C/C++編寫的，是虛擬機的一部分，并不是JAVA中的類，所以無法在 Java 代碼中獲取它的引用，因此返回 null。
因此：如果一個類(System.out.println(String.class.getClassLoader());)輸出為null，說明該類是被Bootstrap ClassLoader加載的。前提是基于JDK1.8環(huán)境。
Bootstrap ClassLoader加載String類會去下面這些類中尋找：
最后一行不是默認路徑，是IDEA默認添加的，紅框部分才是默認加載路徑。
String類在rt包下，按照上圖的順序依次向下找，在rt包中找到后，就不會繼續(xù)向下尋找了。
2.自定義路徑
可通過 -Xbootclasspath 參數(shù)修改 Bootstrap ClassLoader 的搜索路徑
用法 | 含義 | 備注 |
-Xbootclasspath:路徑 | 指定的路徑會完全取代jdk核心的搜索路徑 | 堅決不要用 |
-Xbootclasspath/a:路徑 | 指定的路徑會在jdk核心類后搜索 | 可用 |
-Xbootclasspath/p:路徑 | 指定的路徑會在jdk核心類前搜索 | 可用，不建議使用 |
注意：如果配置多個路徑，linux/unix下用“:”分割，windows下用“;”分割。
代碼演示：在 pom.xml 中添加 commons-io，同時也要把這個jar包放到D:\test 中
<dependency>
<groupId>commons-io</groupId>
<artifactId>commons-io</artifactId>
<version>2.8.0</version>
</dependency>
添加JVM參數(shù)，指定尋找的包路徑在jdk核心類后搜索
-Xbootclasspath/a:D:\test\commons-io-2.8.0.jar
去這個包下尋找ByteOrderMark這個類
修改代碼：
public static void main(String[] args) {
// 輸出String類是被哪個類加載器，加載到內(nèi)存中
// System.out.println(String.class.getClassLoader());
System.out.println(ByteOrderMark.class.getClassLoader());
// 獲取系統(tǒng)配置
// bootstrap生效的時候會去sun.boot.class.path路徑下找對應(yīng)的類
String paths = System.getProperty("sun.boot.class.path");
// windows下使用;分隔
// linux使用:分隔
String[] arr = paths.split(";");
for (String s : arr) {
System.out.println(s);
}
}運行結(jié)果：
Bootstrap ClassLoader在JDK核心類中找不到就會去指定的路徑下尋找。
(二)ExtClassLoader
1.基本使用
擴展類加載器，加載擴展類庫，搜索路徑由-Djava.ext.dirs指定，比如：%JRE_HOME%\jre\lib\ext目錄下的jar包和class文件。即ExtClassLoader加載類的時候會去下面的路徑尋找，找不到就會報錯。
代碼演示：
public static void main(String[] args) {
// 輸出String類是被哪個類加載器，加載到內(nèi)存中
// System.out.println(String.class.getClassLoader());
// System.out.println(ByteOrderMark.class.getClassLoader());
System.out.println(DNSNameService.class.getClassLoader());
// 獲取系統(tǒng)配置
// 輸出 ExtClassLoader 掃描的路徑，注意：輸出的是文件夾
String paths = System.getProperty("java.ext.dirs");
// windows下使用;分隔
// linux使用:分隔
String[] arr = paths.split(";");
for (String s : arr) {
System.out.println(s);
}
}運行結(jié)果：
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@383534aa
有$符號表示ExtClassLoader是Launcher這個類的內(nèi)部類。只要出現(xiàn)$就說明后面是前面的內(nèi)部類
搜索ExtClassLoader后，發(fā)現(xiàn)ExtClassLoader確實是個內(nèi)部類，并且還是靜態(tài)的。
2.配置指定路徑
-Djava.ext.dirs=D:\test
public static void main(String[] args) {
// 輸出String類是被哪個類加載器，加載到內(nèi)存中
// System.out.println(String.class.getClassLoader());
System.out.println(ByteOrderMark.class.getClassLoader());
// System.out.println(DNSNameService.class.getClassLoader());
// 獲取系統(tǒng)配置
// 輸出 ExtClassLoader 掃描的路徑，注意：輸出的是文件夾
String paths = System.getProperty("java.ext.dirs");
// windows下使用;分隔
// linux使用:分隔
String[] arr = paths.split(";");
for (String s : arr) {
System.out.println(s);
}
}代碼中表示，讓ExtClassLoader去D:\test文件夾下尋找ByteOrderMark這個類。
運行結(jié)果：
自定義路徑會把默認路徑覆蓋掉，所以這種方法不建議使用，了解即可。
(三)AppClassLoader
AppClassLoader也叫SystemClassLoader(系統(tǒng)類加載器)，搜索路徑由java.class.path(CLASSPATH) 指定。加載項目中自己寫的類 和 第三方依賴包。
public static void main(String[] args) {
// 輸出String類是被哪個類加載器，加載到內(nèi)存中
// System.out.println(String.class.getClassLoader());
// System.out.println(ByteOrderMark.class.getClassLoader());
// System.out.println(DNSNameService.class.getClassLoader());
System.out.println(Main.class.getClassLoader());
// 獲取系統(tǒng)配置
// 輸出 ExtClassLoader 掃描的路徑，注意：輸出的是文件夾
String paths = System.getProperty("java.class.path");
// windows下使用;分隔
// linux使用:分隔
String[] arr = paths.split(";");
for (String s : arr) {
System.out.println(s);
}
}運行結(jié)果：
最下面的兩行是IDEA自帶的，無需理會
由此可以看出，IDEA在運行java代碼時，主動給我們添加了很多路徑(JDK核心類庫、擴展類庫、自己寫的類和第三方依賴包到classpath中)，所以才會打印如此多的路徑。如下圖。
(四)類加載器的初始化
1.源碼跟蹤
從上面的輸出可以發(fā)現(xiàn) ExtClassLoader、AppClassLoader都是 Java 對象，接下來看一下它們是如何創(chuàng)建的。
這兩個對象的生成都是在 Launcher 中完成的：Launcher類是 java 程序的入口，在啟動 java 應(yīng)用的時候會首先創(chuàng)建Launcher類的對象，創(chuàng)建Launcher類的時候會創(chuàng)建ExtClassLoader、AppClassLoader。
Launcher類太過于底層，所以無法打斷點，構(gòu)造方法如下：
首先，創(chuàng)建 ExtClassLoader
ExtClassLoader對象創(chuàng)建成功后，將器傳入AppClassLoader中
點進這個getAppClassLoader靜態(tài)方法：
super一直點到最上層，在這里，parent參數(shù)就是傳入的 ExtClassLoader。
由此可以看出：ExtClassLoader是AppClassLoader的父類加載器。
2.ExtClassLoader和AppClassLoader的關(guān)系結(jié)論——父類加載器
在 Java 中，AppClassLoader 和 ExtClassLoader 都是由 sun.misc.Launcher 類創(chuàng)建的。盡管它們的名字中包含“ClassLoader”，但它們并不是通過繼承關(guān)系來定義父子關(guān)系的，而是通過設(shè)置父加載器的方式來實現(xiàn)的。這意味著 AppClassLoader 實際上是將 ExtClassLoader 作為其父類加載器，而不是通過類繼承的方式。
只有類之間才會存在繼承關(guān)系，我們這里說的是AppClassLoader 和 ExtClassLoader對象。
在 Java 類加載器的上下文中，“父類加載器”這個術(shù)語并不意味著類加載器之間存在繼承關(guān)系（即它們不是通過 extends 關(guān)鍵字定義的父子類關(guān)系），而是指類加載器之間的委派關(guān)系。具體來說，AppClassLoader 將 ExtClassLoader 作為其父類加載器，指的是當 AppClassLoader 需要加載某個類時，它首先會請求 ExtClassLoader（它的父類加載器）嘗試加載該類。這種機制是基于“雙親委派模型”的。
因此，AppClassLoader的父類是URLClassLoader；父類加載器是ExtClassLoader。
通過debug可以看出來，AppClassLoader的parent屬性是ExtClassLoader，ExtClassLoader的parent屬性是BootstrapClassLoader，前文提過，顯示null，就說明是BootstrapClassLoader。
三、雙親委派模式
(一)概念介紹
雙親委派模式是Java類加載機制的核心原理，用于規(guī)范類加載器之間的協(xié)作方式。其核心思想是：當一個類加載器收到類加載請求時，不會直接自己加載，而是將請求委派給父類加載器，只有當父類加載器無法加載時，才會由當前類加載器自己嘗試加載。
如果父加載器可以完成加載任務(wù)，就成功返回；倘若父加載器無法完成此加載任務(wù)，子加載器才會嘗試自己去加載。
(二)源碼解釋
加載一個類，一定先從 Launcher.AppClassLoader 的 loadClass 方法開始。
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
// 1. 檢查是否已加載
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
try {
// 2. 委派給父類加載器（遞歸向上）
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// 父類加載器未找到，繼續(xù)執(zhí)行
}
if (c == null) {
// 3. 自己嘗試加載
c = findClass(name);
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}(三)雙親委派模式的核心優(yōu)勢
- 安全性：確保核心類（如java.lang.Object）只能由啟動類加載器加載，防止用戶自定義類覆蓋JDK核心類，避免惡意代碼篡改。保證java核心api不會被隨意替換，專業(yè)說法：沙箱安全機制。
- 唯一性：同一名稱的類只會被加載一次（由首個能加載它的類加載器完成），確保類實例的兼容性。
- 層級隔離：不同類加載器加載的類空間隔離，例如Tomcat的多個Web應(yīng)用可通過不同類加載器隔離類版本。
代碼示例：
自定義一個Integer類：
package java.lang;
public class Integer {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("運行自定義的Integer類......");
}
}運行結(jié)果：
原因是BootStrap ClassLoader已經(jīng)在核心類庫中找到j(luò)ava.lang.Integer類了，所以不會再加載自定義的java.lang.Integer類了，這充分體現(xiàn)了JDK核心類不會被覆蓋的優(yōu)勢。
四、動態(tài)加載
(一)URLClassLoader
URLClassLoader是Java中用于從指定的URL(統(tǒng)一資源定位符)加載類和資源的類加載器，屬于java.lang.ClassLoader的子類，也是ExtClassLoader和AppClassLoader的父類。它允許從網(wǎng)絡(luò)或本地文件系統(tǒng)中的目錄、JAR 文件等位置動態(tài)加載類，廣泛應(yīng)用于插件化開發(fā)、熱部署、動態(tài)模塊加載等場景。
常用的構(gòu)造方法：
- URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent)：使用指定的父加載器創(chuàng)建對象，從指定的urls路徑來查詢、并加載類。
- URLClassLoader(URL[] urls)：使用默認的父加載器(AppClassLoader)創(chuàng)建一個ClassLoader對象，從指定的urls路徑來查詢、并加載類。
(二)實戰(zhàn)
新建一個普通的java項目parse-excel-demo，并打成jar包。
在另一個項目classloader-demo中編寫下面的代碼，即可使用上面的方法
public class RunDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
File file = new File(
"G:\\develop\\workspace\\four\\" +
"newSmProjects\\parse-excel-demo\\target\\" +
"parse-excel-demo-1.0-SNAPSHOT.jar");
URL[] urls = {file.toURI().toURL()};
URLClassLoader myUrlClassLoader = new URLClassLoader(urls);
Class<?> parseExcel = myUrlClassLoader.loadClass("com.test.excel.ParseExcel");
Object obj = parseExcel.newInstance();
Method parse = parseExcel.getMethod("parse");
parse.invoke(obj);
}
}運行結(jié)果：
即使被引用的jar包內(nèi)容被修改，只要路徑正確，RunDemo所在的項目都不需要重啟就能運行：
RunDemo運行結(jié)果：
(三)依賴問題
有些時候，parse-excel-demo中可能引用一些第三方庫，比如：jackson-core-2.11.0.jar
<dependency> <groupId>com.fasterxml.jackson.core</groupId> <artifactId>jackson-core</artifactId> <version>2.11.0</version> </dependency>
并在代碼中使用：
package com.test.excel;
import com.fasterxml.jackson.core.JsonFactory;
public class ParseExcel {
public void parse() {
System.out.println("開始解析Excel......");
JsonFactory jsonFactory = new JsonFactory();
System.out.println("運行其getFormatGeneratorFeatures方法：" +
jsonFactory.getFormatGeneratorFeatures());
}
}修改后重新對 parse 打包，然后運行clasterloader-demo中的代碼，結(jié)果：
問題分析：
myUrlClassLoader的父類加載器是
場景 | 父類加載器 | 原因 |
|---|---|---|
默認構(gòu)造URLClassLoader(urls) | AppClassLoader | 默認使用系統(tǒng)類加載器作為父類加載器。 |
顯式指定父類加載器 | 任意（如ExtClassLoader） | 可通過構(gòu)造方法URLClassLoader(urls,parent)自定義。 |
繼承關(guān)系 | URLClassLoader是父類 | AppClassLoader和ExtClassLoader是URLClassLoader的子類。 |
根據(jù)雙親委派模式，myUrlClassLoader加載時parseExcel的時候會去加載JsonFactory，加載JsonFactory會交給父類加載器AppClassLoader，AppClassLoader無法加載就會交給其父類加載器ExtClassLoader，ExtClassLoader無法加載又交給自己的父類加載器BootStrap ClassLoader，都找不到才會報錯。
因此，當我們開發(fā)中碰到ClassNotFoundException的排錯方法要考慮類的加載過程。
解決方案：完善代碼，將JsonFactory所屬的包放在myUrlClassLoader的掃描路徑下：
public class RunDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
File file = new File(
"G:\\develop\\workspace\\four\\" +
"newSmProjects\\parse-excel-demo\\target\\" +
"parse-excel-demo-1.0-SNAPSHOT.jar");
File file2 = new File(
"D:\\apache-maven-3.8.1\\repository\\" +
"com\\fasterxml\\jackson\\core\\jackson-core\\2.11.0" +
"\\jackson-core-2.11.0.jar");
URL[] urls = {file.toURI().toURL(), file2.toURI().toURL()};
URLClassLoader myUrlClassLoader = new URLClassLoader(urls);
Class<?> parseExcel = myUrlClassLoader.loadClass("com.test.excel.ParseExcel");
Object obj = parseExcel.newInstance();
Method parse = parseExcel.getMethod("parse");
parse.invoke(obj);
}
}
也可以將依賴放入classloader-demo中。AppClassLoader可以成功加載第三方依賴包。
(四)版本沖突問題
我們降低classloader-demo中的依賴版本：
再次運行會報錯：
即使將2.11.0版本放到搜索路徑中還是會報錯，因為AppClassLoader已經(jīng)加載完畢了，myUrlClassLoader就不會再加載了。
而項目中已有的依賴也不能更改，那么如何解決呢？
讓程序同時運行兩個版本的jsonFactory即可。
public class RunDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
File file = new File(
"G:\\develop\\workspace\\four\\" +
"newSmProjects\\parse-excel-demo\\target\\" +
"parse-excel-demo-1.0-SNAPSHOT.jar");
File file2 = new File(
"D:\\apache-maven-3.8.1\\repository\\" +
"com\\fasterxml\\jackson\\core\\jackson-core\\2.11.0" +
"\\jackson-core-2.11.0.jar");
URL[] urls = {file.toURI().toURL(),file2.toURI().toURL()};
// 創(chuàng)建自定義類加載器
// 這時候myUrlClassLoader的parent是ExtClassLoader
URLClassLoader myUrlClassLoader = new URLClassLoader(urls,RunDemo.class.getClassLoader().getParent());
Class<?> parseExcel = myUrlClassLoader.loadClass("com.test.excel.ParseExcel");
Object obj = parseExcel.newInstance();
Method parse = parseExcel.getMethod("parse");
parse.invoke(obj);
}
}
總結(jié)
以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。
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