java类加载器基本概念

类加载器是用来把java类加载到虚拟机中的。一般来说java虚拟机使用java类的步骤如下：.java文件经过编译器编译后生成.class文件。类加载器负责读取这些字节码文件，并转化成一个java.lang.Class类的实例。每一个这样的实例都表示一个java类。通过这个实例的newInstance()就可以创建出该类的一个对象。

基本上所有的类加载器都是java.lang.ClassLoader的一个实例。

java.lang.ClassLoader介绍

java中的类加载器大致分为两类：一类是系统提供的，另一类是java应用开发人员编写的。

系统提供的类加载器有三个：

• 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。

除了引导类加载器，其他的类加载器都必须有一个父类加载器。可以通过getParent()来获取父类加载器。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。

除了系统类加载器外，开发人员可以通过继承java.lang.ClassLoader来实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求。

每个java类都维护类一个指向定义它（调用defineClass来创建该类实例的classloader）的类加载器的引用，可以通过getClassLoader()来获取。

类加载器的代理模式

类加载器在尝试查找一个类的字节码文件并定义它时，后先代理给父类加载器，有父类加载器先去尝试加载这个类，以此类推。在介绍这个代理模式之前，先说明一下java虚拟机时如何判定两个java类是否相同的。jvm不仅要判断两类的类名是否相同，还要比较加载这两个类的加载器是否一样。只有当两种都相同时，才认为两个类时相同的。即便是相同的字节码，被不同的类加载器加载生成后所得到的类，也是不同的。下面来看个例子：

自定义的类加载器

public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader {

    private String rootDir;

    public FileSystemClassLoader(String rootDir) {
        this.rootDir = rootDir;
    }

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = getClassData(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        }
        else {
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }

    private byte[] getClassData(String className) {
        String path = classNameToPath(className);
        try {
            InputStream ins = new FileInputStream(path);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int bufferSize = 4096;
            byte[] buffer = new byte[bufferSize];
            int bytesNumRead = 0;
            while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, bytesNumRead);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    private String classNameToPath(String className) {
        return rootDir + File.separatorChar
                + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
    }
}

Sample类

package com.example; 

public class Sample {
    private Sample instance;

    public void setSample(Object instance) {
        this.instance = (Sample) instance;
    }
}

测试方法

public void testClassIdentity() {
    String classDataRootPath = "";//字节码文件路径
    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();
    }
}

运行程序会报java.lang.ClassCastException，说明这个两个类不相同。

了解了这一点之后，就可以理解代理模式的设计动机了。代理模式是为了保证 Java 核心库的类型安全。所有 Java 应用都至少需要引用 java.lang.Object类，也就是说在运行的时候，java.lang.Object这个类需要被加载到 Java 虚拟机中。如果这个加载过程由 Java 应用自己的类加载器来完成的话，很可能就存在多个版本的 java.lang.Object类，而且这些类之间是不兼容的。通过代理模式，对于 Java 核心库的类的加载工作由引导类加载器来统一完成，保证了 Java 应用所使用的都是同一个版本的 Java 核心库的类，是互相兼容的。

不同的类加载器为相同名称的类创建了额外的名称空间。相同名称的类可以并存在 Java 虚拟机中，只需要用不同的类加载器来加载它们即可。不同类加载器加载的类之间是不兼容的，这就相当于在 Java 虚拟机内部创建了一个个相互隔离的 Java 类空间。

加载类的过程

在前面介绍类加载器的代理模式的时候，提到过类加载器会首先代理给其它类加载器来尝试加载某个类。这就意味着真正完成类的加载工作的类加载器和启动这个加载过程的类加载器，有可能不是同一个。真正完成类的加载工作是通过调用 defineClass来实现的；而启动类的加载过程是通过调用 loadClass来实现的。前者称为一个类的定义加载器（defining loader），后者称为初始加载器（initiating loader）。在 Java 虚拟机判断两个类是否相同的时候，使用的是类的定义加载器。也就是说，哪个类加载器启动类的加载过程并不重要，重要的是最终定义这个类的加载器。两种类加载器的关联之处在于：一个类的定义加载器是它引用的其它类的初始加载器。如类 com.example.Outer引用了类 com.example.Inner，则由类 com.example.Outer的定义加载器负责启动类 com.example.Inner的加载过程。

方法 loadClass()抛出的是 java.lang.ClassNotFoundException异常；方法 defineClass()抛出的是 java.lang.NoClassDefFoundError异常。

类加载器在成功加载某个类之后，会把得到的 java.lang.Class类的实例缓存起来。下次再请求加载该类的时候，类加载器会直接使用缓存的类的实例，而不会尝试再次加载。也就是说，对于一个类加载器实例来说，相同全名的类只加载一次，即 loadClass方法不会被重复调用。