深入探讨 Java 类加载器

类加载器（class loader）是 Java™中的一个很重要的概念。类加载器负责加载 Java 类的字节代码到 Java 虚拟机中。本文首先详细介绍了 Java 类加载器的基本概念，包括代理模式、加载类的具体过程和线程上下文类加载器等，接着介绍如何开发自己的类加载器，最后介绍了类加载器在 Web 容器和 OSGi™中的应用。

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

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。这些方法会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

开发自己的类加载器

虽然在绝大多数情况下，系统默认提供的类加载器实现已经可以满足需求。但是在某些情况下，您还是需要为应用开发出自己的类加载器。比如您的应用通过网络来传输 Java 类的字节代码，为了保证安全性，这些字节代码经过了加密处理。这个时候您就需要自己的类加载器来从某个网络地址上读取加密后的字节代码，接着进行解密和验证，最后定义出要在 Java 虚拟机中运行的类来。下面将通过两个具体的实例来说明类加载器的开发。

文件系统类加载器

第一个类加载器用来加载存储在文件系统上的 Java 字节代码。完整的实现如 代码清单 6所示。

清单 6. 文件系统类加载器

 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"; 
    } 
 }

如 代码清单 6所示，类 FileSystemClassLoader继承自类 java.lang.ClassLoader。在 表 1中列出的 java.lang.ClassLoader类的常用方法中，一般来说，自己开发的类加载器只需要覆写 findClass(String name)方法即可。java.lang.ClassLoader类的方法 loadClass()封装了前面提到的代理模式的实现。该方法会首先调用 findLoadedClass()方法来检查该类是否已经被加载过；如果没有加载过的话，会调用父类加载器的 loadClass()方法来尝试加载该类；如果父类加载器无法加载该类的话，就调用 findClass()方法来查找该类。因此，为了保证类加载器都正确实现代理模式，在开发自己的类加载器时，最好不要覆写 loadClass()方法，而是覆写 findClass()方法。

类 FileSystemClassLoader的 findClass()方法首先根据类的全名在硬盘上查找类的字节代码文件（.class 文件），然后读取该文件内容，最后通过 defineClass()方法来把这些字节代码转换成 java.lang.Class类的实例。

网络类加载器

下面将通过一个网络类加载器来说明如何通过类加载器来实现组件的动态更新。即基本的场景是：Java 字节代码（.class）文件存放在服务器上，客户端通过网络的方式获取字节代码并执行。当有版本更新的时候，只需要替换掉服务器上保存的文件即可。通过类加载器可以比较简单的实现这种需求。

类 NetworkClassLoader负责通过网络下载 Java 类字节代码并定义出 Java 类。它的实现与 FileSystemClassLoader类似。在通过NetworkClassLoader加载了某个版本的类之后，一般有两种做法来使用它。第一种做法是使用 Java 反射 API。另外一种做法是使用接口。需要注意的是，并不能直接在客户端代码中引用从服务器上下载的类，因为客户端代码的类加载器找不到这些类。使用 Java 反射 API 可以直接调用 Java 类的方法。而使用接口的做法则是把接口的类放在客户端中，从服务器上加载实现此接口的不同版本的类。在客户端通过相同的接口来使用这些实现类。网络类加载器的具体代码见 下载。

在介绍完如何开发自己的类加载器之后，下面说明类加载器和 Web 容器的关系。

回页首

类加载器与 Web 容器

对于运行在 Java EE™容器中的 Web 应用来说，类加载器的实现方式与一般的 Java 应用有所不同。不同的 Web 容器的实现方式也会有所不同。以 Apache Tomcat 来说，每个 Web 应用都有一个对应的类加载器实例。该类加载器也使用代理模式，所不同的是它是首先尝试去加载某个类，如果找不到再代理给父类加载器。这与一般类加载器的顺序是相反的。这是 Java Servlet 规范中的推荐做法，其目的是使得 Web 应用自己的类的优先级高于 Web 容器提供的类。这种代理模式的一个例外是：Java 核心库的类是不在查找范围之内的。这也是为了保证 Java 核心库的类型安全。

绝大多数情况下，Web 应用的开发人员不需要考虑与类加载器相关的细节。下面给出几条简单的原则：

• 每个 Web 应用自己的 Java 类文件和使用的库的 jar 包，分别放在 WEB-INF/classes和 WEB-INF/lib目录下面。
• 多个应用共享的 Java 类文件和 jar 包，分别放在 Web 容器指定的由所有 Web 应用共享的目录下面。
• 当出现找不到类的错误时，检查当前类的类加载器和当前线程的上下文类加载器是否正确。

在介绍完类加载器与 Web 容器的关系之后，下面介绍它与 OSGi 的关系。

类加载器与 OSGi

OSGi™是 Java 上的动态模块系统。它为开发人员提供了面向服务和基于组件的运行环境，并提供标准的方式用来管理软件的生命周期。OSGi 已经被实现和部署在很多产品上，在开源社区也得到了广泛的支持。Eclipse 就是基于 OSGi 技术来构建的。

OSGi 中的每个模块（bundle）都包含 Java 包和类。模块可以声明它所依赖的需要导入（import）的其它模块的 Java 包和类（通过 Import-Package），也可以声明导出（export）自己的包和类，供其它模块使用（通过 Export-Package）。也就是说需要能够隐藏和共享一个模块中的某些 Java 包和类。这是通过 OSGi 特有的类加载器机制来实现的。OSGi 中的每个模块都有对应的一个类加载器。它负责加载模块自己包含的 Java 包和类。当它需要加载 Java 核心库的类时（以 java开头的包和类），它会代理给父类加载器（通常是启动类加载器）来完成。当它需要加载所导入的 Java 类时，它会代理给导出此 Java 类的模块来完成加载。模块也可以显式的声明某些 Java 包和类，必须由父类加载器来加载。只需要设置系统属性 org.osgi.framework.bootdelegation的值即可。

假设有两个模块 bundleA 和 bundleB，它们都有自己对应的类加载器 classLoaderA 和 classLoaderB。在 bundleA 中包含类com.bundleA.Sample，并且该类被声明为导出的，也就是说可以被其它模块所使用的。bundleB 声明了导入 bundleA 提供的类com.bundleA.Sample，并包含一个类 com.bundleB.NewSample继承自 com.bundleA.Sample。在 bundleB 启动的时候，其类加载器 classLoaderB 需要加载类 com.bundleB.NewSample，进而需要加载类 com.bundleA.Sample。由于 bundleB 声明了类 com.bundleA.Sample是导入的，classLoaderB 把加载类 com.bundleA.Sample的工作代理给导出该类的 bundleA 的类加载器 classLoaderA。classLoaderA 在其模块内部查找类 com.bundleA.Sample并定义它，所得到的类 com.bundleA.Sample实例就可以被所有声明导入了此类的模块使用。对于以 java开头的类，都是由父类加载器来加载的。如果声明了系统属性 org.osgi.framework.bootdelegation=com.example.core.*，那么对于包com.example.core中的类，都是由父类加载器来完成的。

OSGi 模块的这种类加载器结构，使得一个类的不同版本可以共存在 Java 虚拟机中，带来了很大的灵活性。不过它的这种不同，也会给开发人员带来一些麻烦，尤其当模块需要使用第三方提供的库的时候。下面提供几条比较好的建议：

• 如果一个类库只有一个模块使用，把该类库的 jar 包放在模块中，在 Bundle-ClassPath中指明即可。
• 如果一个类库被多个模块共用，可以为这个类库单独的创建一个模块，把其它模块需要用到的 Java 包声明为导出的。其它模块声明导入这些类。
• 如果类库提供了 SPI 接口，并且利用线程上下文类加载器来加载 SPI 实现的 Java 类，有可能会找不到 Java 类。如果出现了NoClassDefFoundError异常，首先检查当前线程的上下文类加载器是否正确。通过 Thread.currentThread().getContextClassLoader()就可以得到该类加载器。该类加载器应该是该模块对应的类加载器。如果不是的话，可以首先通过 class.getClassLoader()来得到模块对应的类加载器，再通过 Thread.currentThread().setContextClassLoader()来设置当前线程的上下文类加载器。

总结

类加载器是 Java 语言的一个创新。它使得动态安装和更新软件组件成为可能。本文详细介绍了类加载器的相关话题，包括基本概念、代理模式、线程上下文类加载器、与 Web 容器和 OSGi 的关系等。开发人员在遇到 ClassNotFoundException和 NoClassDefFoundError等异常的时候，应该检查抛出异常的类的类加载器和当前线程的上下文类加载器，从中可以发现问题的所在。在开发自己的类加载器的时候，需要注意与已有的类加载器组织结构的协调。