java基础之类加载器

Java类加载器的作用是寻找类文件，然后加载Class字节码到JVM内存中，链接（验证、准备、解析）并初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型。类加载器有三个特点：双亲委派（下面介绍），可见性（子类可以看到父类加载后的类），单一性（一个类只能加载一次）；每个类加载器有自己的命名空间（包括了自己的父类加载器），这构成了自己的唯一性，因为即使是同一个类被不同的加载器加载，它也是两个不同的对象

类加载器种类

有两种类加载器：
1 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）
由C++语言实现（针对HotSpot VM）,负责将存放在<JAVA_HOME>lib目录或-Xbootclasspath参数指定的路径中的类库加载到JVM内存中，像java.lang.、java.util.、java.io.*等等。可以通过vm参数“-XX:+TraceClassLoading”来获取类加载信息。我们无法直接使用该类加载器。

2 其他类加载器（Java语言实现）
1）扩展类加载器（Extension ClassLoader）
负责加载<JAVA_HOME>libext目录或java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库。我们可以直接使用这个类加载器。
2）应用程序类加载器（Application ClassLoader），或者叫系统类加载器
负责加载用户类路径（classpath）上的指定类库，我们可以直接使用这个类加载器。一般情况，如果我们没有自定义类加载器默认就是用这个加载器。
3）自定义类加载器
通过继承ClassLoader类实现，主要重写findClass方法。

类加载器使用顺序

在JVM虚拟机中，如果一个类加载器收到类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器完成。每个类加载器都是如此，只有当父加载器在自己的搜索范围内找不到指定的类时（即ClassNotFoundException），子加载器才会尝试自己去加载。

也就是说，对于每个类加载器，只有父类（依次递归）找不到时，才自己加载 。这就是双亲委派模型。

为什么需要双亲委派模型呢？这可以提高Java的安全性，以及防止程序混乱。
提高安全性方面：
假设我们使用一个第三方Jar包，该Jar包中自定义了一个String类，它的功能和系统String类的功能相同，但是加入了恶意代码。那么，JVM会加载这个自定义的String类，从而在我们所有用到String类的地方都会执行该恶意代码。
如果有双亲委派模型，自定义的String类是不会被加载的，因为最顶层的类加载器会首先加载系统的java.lang.String类，而不会加载自定义的String类，防止了恶意代码的注入。

防止程序混乱
假设用户编写了一个java.lang.String的同名类，如果每个类加载器都自己加载的话，那么会出现多个String类，导致混乱。如果本加载器加载了，父加载器则不加载，那么以哪个加载的为准又不能确定了，也增加了复杂度。

自定义类加载器

我们可以自定义类加载器，只需继承ClassLoader抽象类，并重写findClass方法（如果要打破双亲委派模型，需要重写loadClass方法）。原因可以查看ClassLoader的源码：

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;
    }
}

这个是ClassLoader中的loadClass方法，大致流程如下：
1）检查类是否已加载，如果是则不用再重新加载了；--findLoadedClass()
2）如果未加载，则通过父类加载（依次递归）或者启动类加载器（bootstrap）加载；---parent.loadClass
3）如果还未找到，则调用本加载器的findClass方法；---findClass
以上可知，类加载器先通过父类加载，父类未找到时，才有本加载器加载。

因为自定义类加载器是继承ClassLoader，而我们再看findClass方法：

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {    
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

可以看出，它直接返回ClassNotFoundException。
因此，自定义类加载器必须重写findClass方法。

自定义类加载器示例代码：
类加载器HClassLoader：

class HClassLoader extends ClassLoader {

private String classPath;

public HClassLoader(String classPath) {
    this.classPath = classPath;
}

@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    try {
        byte[] data = loadByte(name);
        return defineClass(name, data, 0, data.length);
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
        throw new ClassNotFoundException();
    }

}

/**
 * 获取.class的字节流
 *
 * @param name
 * @return
 * @throws Exception
 */
private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
    name = name.substring(name.lastIndexOf(".")+1,name.length());
    FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + File.separator + name + ".class");
    int len = fis.available();
    byte[] data = new byte[len];
    fis.read(data);
    fis.close();

    // 字节流解密
    data = DESInstance.deCode("1234567890qwertyuiopasdf".getBytes(), data);

    return data;
  }
}

被加载的类Car：

package com.ha

public class Car {

    public Car() {
        System.out.println("Car:" + getClass().getClassLoader());
        System.out.println("Car Parent:" + getClass().getClassLoader().getParent());
    }

    public String print() {
        System.out.println("Car:print()");
        return "carPrint";
    }
 }

测试代码：

@Test
public void testClassLoader() throws Exception {
    HClassLoader myClassLoader = new HClassLoader("e:/temp/a");
    //com.ha.Car这个是需要加载类的全限定名
    Class clazz = myClassLoader.loadClass("com.ha.Car");
    Object o = clazz.newInstance();
    Method print = clazz.getDeclaredMethod("print", null);
    print.invoke(o, null);
}

以上代码，展示了自定义类加载器加载类的方法。

需要注意的是：
执行测试代码前，必须将Car.class文件移动到e:/temp/a下。因为如果不移动Car.class文件，那么Car类会被AppClassLoader加载（自定义类加载器的parent是AppClassLoader），最好是加载不是本项目的类文件。这里如果全限定名输入错误会报NotClassDefFoundError，它是一种错误，区别于找不到类的ClassNotFoundException

自定义类加载器的应用

上面介绍了Java类加载器的相关知识。对于自定义类加载器，哪里可以用到呢？
主流的Java Web服务器，比如Tomcat，都实现了自定义的类加载器。因为它要解决几个问题：
1）Tomcat上可以部署多个不同的应用，但是它们可以使用同一份类库的不同版本。这就需要自定义类加载器，以便对加载的类库进行隔离，否则会出现问题；
2）对于非.class的文件，需要转为Java类，就需要自定义类加载器。比如JSP文件。

这里举一个其它的例子：Java核心代码的加密。
假设我们项目当中，有一些核心代码不想让别人反编译看到。当前知道有两种方法，一种是通过代码混淆（推荐Allatori，商用收费）；一种是自己编写加密算法，对字节码加密，加大反编译难度。

代码混淆如果用Allatori，比较简便。注意控制自己编写类的访问权限即可。接口用public，内部方法用private，其他的用默认的（即不加访问修饰符）或者protected。代码混淆这里不过多说明，这里主要介绍一下字节码加密。
大概的流程可以如下：

.class加密代码：

@Test
public void testEncode() {
    String classFile = "e:/temp/a/com/ha/Car.class";
    FileInputStream fis = null;
    try {
        fis = new FileInputStream(classFile);
        int len = fis.available();
        byte[] data = new byte[len];
        fis.read(data);
        fis.close();

        data = DESInstance.enCode("1234567890qwertyuiopasdf".getBytes(), data);

        String outFile = "e:/temp/a/com/ha/EnCar.class";
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(outFile);
        fos.write(data);
        fos.close();
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }

}

类加载器中解密，查看上文中的：

// 字节流解密
data = DESInstance.deCode("1234567890qwertyuiopasdf".getBytes(), data);

加解密工具类：

public class DESInstance {

    private static String ALGORITHM = "DESede";

    /**
     * 加密
     *
     * @param key
     * @param src
     * @return
     */
    public static byte[] enCode(byte[] key, byte[] src) {

        byte[] value = null;
        SecretKey deskey = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey);
            value = cipher.doFinal(src);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return value;
    }

    /**
     * 解密
     *
     * @param key
     * @param src
     * @return
     */
    public static byte[] deCode(byte[] key, byte[] src) {
        byte[] value = null;
        SecretKey deskey = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);

        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey);
            value = cipher.doFinal(src);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return value;
    }
}

注意秘钥是24位，否则会报错：
java.security.InvalidKeyException: Invalid key length
如果解密密码错误，则是如下错误：
javax.crypto.BadPaddingException: Given final block not properly padded

当然，这样做还是会被反编译破解，要加大难度，还需要其他处理的。