类加载器-ClassLoader

公众号同名

前文中提到创建Java对象第一步就是校验字节码合法性，以及类模版是否已经被加载，如果还没有被加载的话，则需要先完成类加载才能继续创建对象的流程，那么如何进行类加载呢？方法就是使用ClassLoader(类加载器)。

ClassLoader

从Android官方文档中，可以看到是这样描述ClassLoader的：

A class loader is an object that is responsible for loading classes. The class ClassLoader is an abstract class. Given the [binary name](dfile:///Users/zbtuo/Library/Application Support/Dash/DocSets/Android/Android.docset/Contents/Resources/Documents/developer.android.com/reference/java/lang/ClassLoader.html#name) of a class, a class loader should attempt to locate or generate data that constitutes a definition for the class. A typical strategy is to transform the name into a file name and then read a “class file” of that name from a file system.

ClassLoader是一个负责加载类的Java 对象，它是一个抽象类，当给定类的二进制名称时，ClassLoader会尝试定位该类或生成构成该类所需的数据。通常情况下，ClassLoader 的工作策略是将类的二进制名称转换成文件名称，随后去文件系统中读取以该文件名称命令的.class文件。

下面我们再次回顾上节中ObjectTest.java内部创建Person对象的字节码，可以看到new指令接受的二进制名称为#2(图-1.1.2-1)，随后我们点击#2可以看到其指向的是常量池中的一个字符串(图-1.1.2-2)，该字符串取值为Person类的class文件名称(图-1.1.2-3)，从这里可以看出new指令和ClassLoader的依赖关系。

对于每个Class对象而言，可以通过getClassLoader()方法来获取其类加载器。在开发中，可以通过创建ClassLoader的子类来扩展Java虚拟机加载类的方式，对于ClassLoader而言，其使用双亲委托机制来进行类及资源的搜索，也就意味着当进行类或资源的查找时，首先会将查找请求转交给父类，当父类无法完成加载时，再由自己进行加载(PS:当存在多级父子关系时，每个加载请求都会分发到最顶层的父类，然后逐级尝试加载)。

由以上描述可以看出，Java类加载使用的是双亲委托机制，双亲委托机制有以下好处：

通过委托机制，可以避免类重新加载
通过委托机制，父类已加载类，不可被子类重新加载，确保系统类的安全，避免被篡改

Class对象：对于一个类而言，与其关联的有两类对象，Class对象和Object对象，Class对象只会被初始化一次，由类加载器构造，用于描述该类的基础数据和资源，包含了类的相关信息。Object对象为该类的实例对象，其对象状态和成员属性值依赖于运行时，随程序运行可能创建多个实例对象

Android中的ClassLoader类图

在Android中系统已经定义了一些ClassLoader的子类，以便在程序运行过程中进行类加载，根据其是否能被普通开发者引用，可以将其分为 应用层ClassLoader 和 系统层ClassLoader 。

应用层ClassLoader

应用层ClassLoader，其继承关系如下图所示：

上图中的各个ClassLoader类，其加载职能区别如下表：

类加载器	作用	备注
DexClassLoader	用于加载jar或者apk文件中classes.dex中定义的类和资源
PathClassLoader	用于加载本地文件或路径中包含的类和资源，但不会尝试从网络加载类
URLClassLoader	用于从指向Jar文件或目录的URL路径中加载类和资源
InMemoryDexClassLoader	用于从包含dex文件的缓存buffer中加载类和资源
DelegateLastClassLoader	用于实现最后查找策略的ClassLoader实现

系统层ClassLoader

BootClassLoader是ClassLoader的内部类，其继承自ClassLoader，是一个单例类，只允许在同一个中访问，故而不可以被应用程序调用，在ZygoteInit的preloadClasses函数中，会创建BootClassLoader，用于预加载Zygote进程初始化时所需的常用类。

而在Zygote进程创建SystemServer时会创建PathClassLoader用于加载apk中的dex文件，可以在MainActivity中打印其类加载器来验证这一观点。

在MainActivity#onCreate中的setContentView之后添加如下代码：

        ClassLoader loader = getClassLoader();while (loader != null) {Log.d("ClassLoaderTest",loader.toString());loader = loader.getParent();}

查看日志输出，如下图：

2022-09-25 17:20:14.842  7538-7538  ClassLoaderTest         com.poseidon.myapplication           D  dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/~~Jsg-LL_oXhjopfEf7DWyZg==/com.poseidon.myapplication-ZP0_KooY7cWfW9NVQ3otfw==/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/~~Jsg-LL_oXhjopfEf7DWyZg==/com.poseidon.myapplication-ZP0_KooY7cWfW9NVQ3otfw==/lib/x86_64, /system/lib64, /system_ext/lib64]]]2022-09-25 17:20:14.843  7538-7538  ClassLoaderTest         com.poseidon.myapplication           D  java.lang.BootClassLoader@a5d21e8

从日志也可以看出，一个Android应用程序启动需要用到BootClassLoader和PathClassLoader

Java中的ClassLoader类图

在JDK中同样定义了一套加载器相关类，继承关系如下图所示(以JDK 11为例，图中只绘制了部分类)：

其中BootClassLoader用于加载核心类库，包括resources.jar，charsets.jar等，AppClassLoader用于加载当前应用classpath中的所有类。

自定义ClassLoader

前文说到ClassLoader其主要是用来进行.class文件的加载，创建Class对象，那么应该怎么自定义ClassLoader呢？自定义ClassLoader核心在于 findClass 方法的实现，在 findClass 方法中按照我们的期望进行类及资源的查找，查找完成后通过 defineClass 函数来定义Class字节流即可。

下面是一个加载指定路径下Class的ClassLoader实现：

public class CustomClassLoader extends ClassLoader{// 所要加载的路径Pathprivate String mPath;public CustomClassLoader(String path) {this.mPath = path;}@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {try {byte[] b = loadClassData(name);// 使用class文件流数据定义Classreturn defineClass(name, b, 0, b.length);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}return null;}private byte[] loadClassData(String name) throws IOException {// 拼接完整的class文件路径name = mPath + name + ".class";InputStream is = null;ByteArrayOutputStream outputStream = null;try {is = new FileInputStream(new File(name));outputStream = new ByteArrayOutputStream();int i = 0;while ((i = is.read()) != -1) {outputStream.write(i);}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {if (outputStream != null) {outputStream.close();}if (is != null) {is.close();}}return outputStream.toByteArray();}
}