JVM初识之自定义类加载器

一、简介

通常情况下，我们都是直接使用系统类加载器，但是有些时候，由于某种特殊需求，我们也需要自定义类加载器。比如，应用程序是根据网络来传输字节码文件信息，为了保证在网络传输过程中字节码文件的安全，通常都会进行加密，这样我们在加载类的时候，就需要进行解密，这种需求使用系统提供的类加载器是实现不了的，这就需要我们自己定义加密解密类加载器。自定义类加载器一般都是继承ClassLoader类。

二、自定义类加载器流程

【a】继承java.lang.ClassLoader类

【b】首先检查请求的类型是否已经被这个类加载器加载到命名空间中，如果已经装载则直接返回

【c】委托类加载请求给父类加载器，如果父类加载器能够完成加载工作，则返回父类加载器加载的Class实例

【d】调用本类的findClass()方法，试图获取对应的字节码，如果获取的到，则调用defineClass()导入类型到方法区，如果获取不到，返回异常给loadClass()方法，loadClass()转抛异常，终止加载过程。

注意：被两个类加载器加载的同一个类，JVM并不认为是相同的类。

三、自定义类加载器示例

下面我们自定义一个文件系统类加载器，实现传入类的全限定名，然后根据IO流读取.class字节码信息。

首先在d:java下面新建一个Test.java:

package com.wsh;public class Test {public static void main(String[] args) {System.out.println("test");}
}

接着使用命令行工具编译Test.java,生成Test.class字节码文件：

这样在d:/java/com/wsh/路径下生成了Test.class字节码文件：

/*** @Description: 自定义文件系统类加载器* @author: weishihuai* @Date: 2019/1/16 16:32*/
public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader {/*** 根目录路径*/private String rootDir;public FileSystemClassLoader(String rootDir) {this.rootDir = rootDir;}@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {//1. 查找该类加载器是否已经装载这个类,如果已经装载,则直接返回该Class对象Class<?> loadedClass = findLoadedClass(name);if (null == loadedClass) {//如果未装载,依据双亲委托机制,寻找父类加载器进行加载ClassLoader parent = this.getParent();try {loadedClass = parent.loadClass(name);} catch (Exception e) {
//                e.printStackTrace();}//如果父类加载器加载成功,则返回父类加载器加载的Class对象if (null != loadedClass) {return loadedClass;} else {//文件流读取返回字节数组byte[] classData = getClassData(name);//如果自己都加载失败的话直接抛出ClassNotFoundException异常if (null == classData) {throw new ClassNotFoundException();} else {//使用defineClass()加载类loadedClass = defineClass(name, classData, 0, classData.length);}}} else {return loadedClass;}return loadedClass;}/*** 根据路径名称获取.class字节数组信息** @param name 路径* @return*/private byte[] getClassData(String name) {  //com.wsh.Test  d:/java/com/wsh/Test.classStringBuilder path = new StringBuilder(rootDir).append(File.separator).append(name.replace(".", File.separator)).append(".class");ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = null;InputStream inputStream = null;try {inputStream = new FileInputStream(path.toString());byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();byte[] buffer = new byte[1024];int len;while ((len = inputStream.read(buffer)) != -1) {byteArrayOutputStream.write(buffer, 0, len);}return byteArrayOutputStream.toByteArray();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {if (null != byteArrayOutputStream) {try {byteArrayOutputStream.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}if (null != inputStream) {try {inputStream.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}return null;}
}

测试类：

public class TestFileSystemClassLoader {public static void main(String[] args) {FileSystemClassLoader fileSystemClassLoader = new FileSystemClassLoader("d:/java");try {//加载d:/java/com/wsh/Test.class字节码信息Class<?> loaderClass = fileSystemClassLoader.loadClass("com.wsh.Test");//class com.wsh.TestSystem.out.println(loaderClass);//com.wsh.jvm.classloader.FileSystemClassLoader@677327b6System.out.println(loaderClass.getClassLoader());Object object = loaderClass.newInstance();//com.wsh.jvm.classloader.FileSystemClassLoader@677327b6System.out.println(object.getClass().getClassLoader());Class<?> loaderClass2 = fileSystemClassLoader.loadClass("com.wsh.jvm.classloader.Test");//由于双亲委托机制,在classpath下的类默认都会由AppClassLoader类加载器加载//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2System.out.println(loaderClass2.getClassLoader());Class<?> loaderClass3 = fileSystemClassLoader.loadClass("java.lang.String");//因为Java核心类库是由引导类加载器BootStrapClassLoader进行加载,所以返回为null//nullSystem.out.println(loaderClass3.getClassLoader());} catch (ClassNotFoundException | InstantiationException | IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();}}
}

注意点：因为类Test 本身可以被 AppClassLoader 类加载，因此我们不能把 Test.class 放在类路径下。否则，由于双亲委托机制的存在，会导致该类由AppClassLoader 加载，而不会通过我们自定义类加载器来加载。

四、自定义类加载器示例二

通过上面的示例，对自定义类加载器的流程已有初步的了解，接下来，我们再通过一个示例【自定义加密解密类加载器】加深对自定义类加载器的理解。

因为.class字节码文件是二进制文件，所以简单起见，实现对字节码取反的方式进行加密，然后使用自定义解密类加载器加载该类。

关于取反，我们可以通过异或的方式进行 xxxx ^ 0xff ，通过下图了解取反怎么取：

【第一步】编写加密方法：

    /*** 加密方法** @param src  源文件路径* @param dest 目标文件路径*/public static void encryptClass(File src, File dest) {InputStream fileInputStream = null;OutputStream fileOutputStream = null;try {fileInputStream = new FileInputStream(src);fileOutputStream = new FileOutputStream(dest);//接收长度int len;while ((len = fileInputStream.read()) != -1) {//通过异或操作对读取的输入流进行取反fileOutputStream.write(len ^ 0xff);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {if (null != fileOutputStream) {try {fileOutputStream.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}if (null != fileInputStream) {try {fileInputStream.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}}

【第二步】对.class二进制字节码文件进行取反加密：

public class Test{ public static void main(String[] args) {encryptClass(new File("d:/java/com/wsh/Test.class"), new File("d:/java/temp/com/wsh/Test.class"));}
}

执行完之后，在temp/com/wsh目录下就可以看到加密之后的字节码文件，下面我们就需要自定义解密类加载器去读取这个字节码文件：

【第三步】自定义解密类加载器

/*** @Description: 解密类加载器* @Author: weishihuai* @Date: 2019/1/16 21:36*/
public class DecipherClassLoader extends ClassLoader {/*** 根目录路径*/private String rootDir;public DecipherClassLoader(String rootDir) {this.rootDir = rootDir;}@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {//1. 查找该类加载器是否已经装载这个类,如果已经装载,则直接返回该Class对象Class<?> loadedClass = findLoadedClass(name);if (null == loadedClass) {//如果未装载,依据双亲委托机制,寻找父类加载器进行加载ClassLoader parent = this.getParent();//这里加try-catch的原因是怕父类加载器加载失败之后,报错就不会执行下面的代码.try {loadedClass = parent.loadClass(name);} catch (Exception e) {
//                e.printStackTrace();}//如果父类加载器加载成功,则返回父类加载器加载的Class对象if (null != loadedClass) {return loadedClass;} else {//文件流读取返回字节数组byte[] classData = getClassData(name);//如果自己都加载失败的话直接抛出ClassNotFoundException异常if (null == classData) {throw new ClassNotFoundException();} else {//使用defineClass()加载类loadedClass = defineClass(name, classData, 0, classData.length);}}} else {return loadedClass;}return loadedClass;}/*** 根据路径名称获取.class字节数组信息** @param name 路径* @return*/private byte[] getClassData(String name) {StringBuilder path = new StringBuilder(rootDir).append(File.separator).append(name.replace(".", File.separator)).append(".class");ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = null;InputStream inputStream = null;byte[] data = null;try {inputStream = new FileInputStream(path.toString());byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();int len;while ((len = inputStream.read()) != -1) {//对加密后的二进制文件再次取反就是解密byteArrayOutputStream.write(len ^ 0xff);}data = byteArrayOutputStream.toByteArray();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {if (null != byteArrayOutputStream) {try {byteArrayOutputStream.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}if (null != inputStream) {try {inputStream.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}return data;}
}

【第四步】测试解密类加载器

如果我们使用之前的FileSystemClassLoader来加载这个加密后的在字节码文件的话，会直接报错：

public class TestDecrptClassLoader {public static void main(String[] args) {FileSystemClassLoader fileSystemClassLoader = new FileSystemClassLoader("d:/java/temp");try {Class<?> clazz = fileSystemClassLoader.loadClass("com.wsh.Test");System.out.println(clazz);} catch (ClassNotFoundException e) {e.printStackTrace();}}
}

下面我们使用DecipherClassLoader来加载该类：

public class TestDecrptClassLoader {public static void main(String[] args) {DecipherClassLoader decipherClassLoader = new DecipherClassLoader("d:/java/temp");try {Class<?> clazz2 = decipherClassLoader.loadClass("com.wsh.Test");System.out.println(clazz2);System.out.println(clazz2.getClassLoader());} catch (ClassNotFoundException e) {e.printStackTrace();}}
}

由上图可见，已经成功通过自定义的解密类加载器加载了Test类。

五、总结

通过两个自定义类加载器，对自定义类加载器的流程有了进一步的认识，通常情况下，我们使用系统默认的类加载器即能满足大部分的需求，对于一些特殊的需求，那么我们可以通过自定义类加载器来满足特定的需求。本文是笔者对自定义类加载器的一些见解和认识，仅供大家学习参考，不对之处，希望大家多多指点。