classloader详解

本文主要包含下面几个内容：

  1. classloader双亲委派机制以及classloader加载class的流程
  2. classloader的其他特性
  3. 自定义classloader以及如何打破双亲委派机制
  4. context classloader作用

classloader双亲委派机制以及classloader加载class的流程

java类加载流程

JVM启动时，有三个classloader负责加载class，如下：

  • bootstrap classloader
  • extension classloader
  • system classloader
  1. bootstrap classloader：采用native code实现，是JVM的一部分，主要加载JVM自身工作需要的类； 这些类位于$JAVA_HOME/jre/lib/下面。当JVM启动后，Bootstrap ClassLoader也随着启动，负责加载完核心类库后，并构造Extension ClassLoader和App ClassLoader类加载器。
  2. extension classloader：扩展的class loader，加载位于$JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下的扩展jar。
  3. system classloader: 系统class loader，父类是ExtClassLoader，加载$CLASSPATH下的目录和jar；它负责加载应用程序主函数类。

为了更好的理解，直接查看源码，省略了非关键代码。sun.misc.Launcher, 它是java程序的入口。

public class Launcher {
    private static URLStreamHandlerFactory factory = new Launcher.Factory();
    private static Launcher launcher = new Launcher();
    private static String bootClassPath = System.getProperty("sun.boot.class.path");
    private ClassLoader loader;
    private static URLStreamHandler fileHandler;

    public static Launcher getLauncher() {
        return launcher;
    }

    public Launcher() {
        Launcher.ExtClassLoader var1;
        try {
            var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException var10) {
            throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
        }

        try {
            this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
        } catch (IOException var9) {
            throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
        }

        Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
        String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
        if (var2 != null) {
            SecurityManager var3 = null;
            if (!"".equals(var2) && !"default".equals(var2)) {
                try {
                    var3 = (SecurityManager)this.loader.loadClass(var2).newInstance();
                } catch (IllegalAccessException var5) {
                } catch (InstantiationException var6) {
                } catch (ClassNotFoundException var7) {
                } catch (ClassCastException var8) {
                }
            } else {
                var3 = new SecurityManager();
            }

            if (var3 == null) {
                throw new InternalError("Could not create SecurityManager: " + var2);
            }

            System.setSecurityManager(var3);
        }

    }

    static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
      //...
    }


    static class AppClassLoader extends URLClassLoader {
      //...
    }

  //...
}

bootstrap classloader负责加载Launcher类，其中代码里面的bootClassPath为bootstrap classloader的加载路径，获取sun.boot.class.path属性为$JAVA_HOME/jre/lib/下面jar拼接成的，如下:

D:\java_tools\java\jdk8\jre\lib\resources.jar
D:\java_tools\java\jdk8\jre\lib\rt.jar
D:\java_tools\java\jdk8\jre\lib\sunrsasign.jar
D:\java_tools\java\jdk8\jre\lib\jsse.jar
D:\java_tools\java\jdk8\jre\lib\jce.jar
D:\java_tools\java\jdk8\jre\lib\charsets.jar
D:\java_tools\java\jdk8\jre\lib\jfr.jar
D:\java_tools\java\jdk8\jre\classes

同时在代码里面构造了ExtClassLoader和AppClassLoader，两者都继承了URLClassLoader，其中ExtClassLoader的parent为null（其中为null表示parent为bootstrap classloader），URLs为System.getProperty("java.ext.dirs"), 值为$JAVA_HOME/jre/lib/ext，具体的代码在var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();

另外AppClassLoader的parent为ExtClassLoader，URLs为System.getProperty("java.class.path")获取的值，值为-classpath传递的值, 具体的代码在this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
所以classloader的继承关系如下：

+-BootstrapClassLoader [bootstrap classloader]                                                                                                                                                                                  
  +-sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7bf2dede [extension classloader]                                                                                                                            
    +-sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2  [system classloader]

双亲委派机制

ExtClassLoader和AppClassLoader都继承了URLClassLoader, URLClassLoader又继承了ClassLoader类，类加载器在加载类的时候，最终会调用ClassLoader类的loadClass方法，正是该方法决定了类的加载机制是双亲委派，源码如下：

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
            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;
        }
    }

//...
}

可以看到主要分为几步：

  1. 根据类名尝试从本地缓存里面获取已经加载的class，如果没有转2，如果有转最后一步。
  2. 判断parent是否为null：不为null，直接使用parent的classloader加载；为null，相当于parent是bootstrap classloader，使用bootstrap classloader加载。如果没有转3，如果有转最后一步。
  3. 调用findClass方法，根据一定的路径策略获取class，没有找到的话返回null，找到转最后一步。
  4. 解析class。

上面的几个步骤可以看到，优先由parent的classloader加载，这就是双亲委派机制。其中第3步可以覆盖 findClass方法，实现自己的加载策略：比如可以从远程网络class文件，从本地压缩包里面获取class文件等。

classloader的其他特性

除了双亲委派特性，classloader还有隐式加载，隔离等特性。

隐式加载

JVM加载class文件到内存有两种方式。

  1. 隐式加载：所谓隐式加载就是不通过在代码里调用classloader来加载需要的类，而是通过JVM来自动加载需要的类到内存的方式。例如，当我们在类中继承或者引用某个类时，JVM在解析当前这个类时发现引用的类不在内存中，那么就会自动将这些类加载到内存中。
  2. 显式加载：相反的显式加载就是我们在代码中通过调用classloader类来加载一个类的方式，调用this.getClass.getClassLoader().loadClass()或者Class.forName()，或者我们自己实现的ClassLoader的findClass()方法等。

其实这两种方式是混合使用的，例如，我们通过自定义的classloader显式加载一个类时，这个类中又引用了其他类，那么这些类就是隐式加载的。正如所有程序都有一个main函数一样，所有的应用都有一个或多个入口的类，这个类是被最先加载的，并且随后的所有类都像树枝一样以此类为根被加载。

举两个例子：

  1. java程序运行的时候，都会首先从拥有main方法的入口类运行，该类由AppClassLoader加载，从而其他被它应用的类都会由AppClassLoader来加载。
  2. springboot应用的启动方式，基于springboot的应用，最终会被打成一个jar包的形式运行，jar包的META-INF/MANIFEST.MF文件里面指定Main-Class以及其他相关关键信息如下：
Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher
Start-Class: com.dada.Application
Spring-Boot-Classes: BOOT-INF/classes/
Spring-Boot-Lib: BOOT-INF/lib/

Main-Class为org.springframework.boot.loader.JarLauncher， jar包启动的时候会首先执行JarLauncher的main方法。大致的逻辑是：在JarLauncher里面使用自定义的LaunchedURLClassLoader（parent为system ClassLoader）加载真实的Main-Class，对应上面的Start-Class，关键源码如下：

package org.springframework.boot.loader;

import java.lang.reflect.*;

public class MainMethodRunner
{
    // 省略非关键代码
    public void run() throws Exception {
        // this.mainClassName 对应的就是上面META-INF/MANIFEST.MF里面的Start-Class属性
        final Class<?> mainClass = Thread.currentThread().getContextClassLoader().loadClass(this.mainClassName);
        final Method mainMethod = mainClass.getDeclaredMethod("main", String[].class);
        mainMethod.invoke(null, this.args);
    }
}

其中Thread.currentThread().getContextClassLoader()获取的就是LaunchedURLClassLoader（在前面设置，具体可以参考org.springframework.boot.loader.Launcher#launch方法），通过显示加载的方式加载Start-Class：com.dada.Application （即真正的应用Main-Class），也就是应用的入口类，该入口类会让其他被它引用的类使用LaunchedURLClassLoader进行加载。

隔离性

为了理解隔离性，需要先理解下面几个概念

  1. 不同的classloader加载的同一个class文件，会被jvm认为是不同的class。如果把一个ClassLoader创建的实例，赋值给另一个ClassLoader加载的类，会导致ClassCastException异常。
  2. class冲突，同一个classloader只能加载一个class name（包括package）的class，如果存在多个class name相同的类，会出现随机加载class，从而导致NoSuchMethodError等异常。
  1. 两个平级的classloader加载的两个类，不能相互访问，比如在下面的场景:
+-BootstrapClassLoader [bootstrap classloader]                                                                                                                                                                                  
  +-sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7bf2dede [extension classloader]                                                                                                                            
    +-sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2  [system classloader] 
       +-自定义的classloader1
       +-自定义的classloader2

其中classloader1加载的class不能访问classloader2加载的class。

  1. 一个classloader可以访问父classloader加载的class，比如自定义的classloader1可以访问AppClassLoader加载的类。这是双亲委派机制决定的。
  2. 父classloader加载的class不能访问子classloader加载的class，比如AppClassLoader不能访问自定义的classloader1加载的类。这也是双亲委派机制决定的。

举个例子：
一个tomcat可以同时启动多个不同的webapp（基于springmvc），多个不同的webapp可能拥有完全相同的类，那么是如何保证不会出现class冲突？正是使用了不同classloader的隔离特性。每个webapp使用自定义的WebappClassLoader（parent为shared classloader）来加载org.springframework.web.servlet.DispatcherServlet(继承了Servlet接口)，这边的DispatcherServlet类相当于入口类，根据上面的隐式加载，会继续使用该classloader加载相关联的类。每个webappClassLoader是同级关系，不会存在相互访问的问题，从而达到不同webapp应用隔离的目的。

自定义classloader以及如何打破双亲委派机制

正是因为classloader有着上面的特性：双亲委派，隐式加载，隔离性，所以经常会有自定义classloader的需求。
自定义classloader之后，可以与原有classloader加载的类隔离开来，从而可以避免对原有classloader加载的类造成干扰。同时可以覆盖loadClass方法和findClass方法，打破双亲委派机制，实现自定义的class路径加载。下面举几个例子：

  1. OSGI不同bundle之间的隔离
    OSGI是Java动态化模块化系统，会有多个部署单元，每个部署单元称为一个bundle。每个bundle有自己独立的classloader，同时一个bundle又可以使用其他bundle导出的package，相当于委托另外一个bundle的classloader进行类的加载。
  2. 蚂蚁金服开源的sofa-ark框架
    sofa-ark是一款基于Java实现的轻量级类隔离加载容器，sofa-ark包含三个概念：
    sofa-ark模板图

    ark plugin和ark biz都是以jar包的形式存在，其中每个ark plugin使用自定义的PluginClassLoader来加载，每个ark biz也使用自定义的BizClassLoader来加载。这样可以使不同的ark plugin和不同的ark biz隔离开来，以PluginClassLoader为例：
public class PluginClassLoader extends AbstractClasspathClassloader {
   ...
    @Override
    protected Class<?> loadClassInternal(String name, boolean resolve) throws ArkLoaderException {

        // 1. sun reflect related class throw exception directly
        if (classloaderService.isSunReflectClass(name)) {
            throw new ArkLoaderException(
                String
                    .format(
                        "[ArkPlugin Loader] %s : can not load class: %s, this class can only be loaded by sun.reflect.DelegatingClassLoader",
                        pluginName, name));
        }

        // 2. findLoadedClass
        Class<?> clazz = findLoadedClass(name);

        // 3. JDK related class
        if (clazz == null) {
            clazz = resolveJDKClass(name);
        }

        // 4. Ark Spi class
        if (clazz == null) {
            clazz = resolveArkClass(name);
        }

        // 5. Import class export by other plugins
        if (clazz == null) {
            clazz = resolveExportClass(name);
        }

        // 6. Plugin classpath class
        if (clazz == null) {
            clazz = resolveLocalClass(name);
        }

        // 7. Java Agent ClassLoader for agent problem
        if (clazz == null) {
            clazz = resolveJavaAgentClass(name);
        }

        if (clazz != null) {
            if (resolve) {
                super.resolveClass(clazz);
            }
            return clazz;
        }

        throw new ArkLoaderException(String.format(
            "[ArkPlugin Loader] %s : can not load class: %s", pluginName, name));
    }
  ...
}

loadClass方法会调用loadClassInternal方法，当Plugin在运行时发现一个类需要被加载时，会按照如下步骤搜索:

  1. 如果已加载过，那就返回已加载好的那个类。
  2. 如果这个类是JDK自己的，那么就用JDKClassLoader去加载。
  3. 如果这个类是属于Ark容器的，那么就用ArkClassLoader去加载。
  4. 如果这个类是某个插件export的，那么就用ExportClassLoader去加载。
  5. 如果这个类是插件自身的，那么就用当前的ClassLoader直接loadClass就好。
  6. 最后使用某个java agent尝试加载。
  7. 实在找不到就报错。

可以看到该步骤并没有使用双亲委派的机制，而是自定义的加载策略。

context classloader作用

context classloader概念

经常会在代码里面看到这样的代码：

ClassLoader cl= Thread.currentThread().getContextClassLoader();
Class<?> clazz= cl.loadClass(getClassName());

每一个Thread都有一个相关联的context classloader，可以通过Thread.setContextClassLoader()方法设置。如果没有主动设置，Thread默认继承Parent Thread的 context classloader。如果你整个应用中都没有对此作任何处理，那么 所有的Thread都会以system classLoader作为context Classloader。

context classloader场景

可以自定义classloader，并设置到线程中，这样在当前线程的任何地方都可以使用该classloader进行显示加载，即调用loadClass或者forName方法。从而可以灵活的使用自定义的classloader，而不被java自带的classloader所限制。

最常见的是在Java的SPI场景中使用，比如JDBC。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classpath里面。SPI的接口是Java核心库的一部分，是由bootstrap classloader来加载的，SPI的实现类一般由system classloader来加载。
以JDBC为例，直接看源码，省略了非关键代码：

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;
            }
        });
       ...
}

DriverManager类是JDK核心类，会被bootstrap classloader加载，在加载的时候会调用static代码块加载JDBC驱动，在loadInitialDrivers方法里面调用ServiceLoader.load(Driver.class)，ServiceLoader是SPI的是一种实现，所谓SPI，即Service Provider Interface，用于一些服务提供给第三方实现或者扩展，可以增强框架的扩展或者替换一些组件。 继续看load方法。

public final class ServiceLoader<S>, implements Iterable<S> {
    public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        return ServiceLoader.load(service, cl);
    }

    public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service, ClassLoader loader){
        return new ServiceLoader<>(service, loader);
    }

    private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {
        service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");
        loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;
        acc = (System.getSecurityManager() != null) ? AccessController.getContext() : null;
        reload();
    }

   private S nextService() {
            if (!hasNextService())
                throw new NoSuchElementException();
            String cn = nextName;
            nextName = null;
            Class<?> c = null;
            try {
                c = Class.forName(cn, false, loader);
            } catch (ClassNotFoundException x) {
                fail(service,
                     "Provider " + cn + " not found");
            }
            if (!service.isAssignableFrom(c)) {
                fail(service,
                     "Provider " + cn  + " not a subtype");
            }
            try {
                S p = service.cast(c.newInstance());
                providers.put(cn, p);
                return p;
            } catch (Throwable x) {
                fail(service,
                     "Provider " + cn + " could not be instantiated",
                     x);
            }
            throw new Error();          // This cannot happen
        }
}

可以看到会将context classloader传递给ServiceLoader，并最终赋值给loader属性，在调用driversIterator.next()遍历时，最终会调用nextService方法，可以看到nextService方法里面调用Class.forName(cn, false, loader)进行类的隐式加载。其中cn为所有通过spi方式注册的driver，比如mysql驱动的类名为com.mysql.jdbc.Driver，配置在mysql-connector-java-5.1.41.jar里的META-INF/services/java.sql.Driver文件中：

com.mysql.jdbc.Driver
com.mysql.fabric.jdbc.FabricMySQLDriver

通过这种方式保证了bootstrap classloader加载的DriverManager类可以访问由system classloader加载的具体SPI实现类com.mysql.jdbc.Driver。

参考文档

理解Java ClassLoader机制
springboot应用启动原理(二) 扩展URLClassLoader实现嵌套jar加载
浅议tomcat与classloader
通过tomcat源码查看其如何实现应用相互隔离
sofa-ark官方文档
真正理解ContextClassLoader

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    文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至，却和暖如春，着一层夹袄步出监牢的瞬间，已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
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    我被黑心中介骗来泰国打工， 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道东北人。 一个月前我还...
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