类加载器是 Java 语言的一个创新，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。

基本概念

把类加载阶段中的“通过一个类的全限定类名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部实现，以便让应用程序自己决定如何去获取需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。换句话说，类加载器（class loader）就是将 Java 类加载到 Java 虚拟机中。

一般来说，Java 虚拟机使用 Java 类的方式如下：

1. 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）。
2. 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。
3. 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。

对于任何一个类，都需要有加载它的类的加载器和这个类本身一同确立在JVM中的唯一性，每一个类加载器都拥有一个独立的类名称空间。通俗的讲，比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义。否则，即使它们来自同一个Class文件、被同一个虚拟机加载，只要他们的类加载器不同，那么这两个类必不相等。

了解 java.lang.ClassLoader

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。为了完成加载类的这个职责， ClassLoader 提供了一系列的方法:

方法	说明
getParent()	返回该类加载器的父类加载器。
loadClass(String name)	加载名称为 name 的类，返回的结果是 java.lang.Class 类的实例。
findClass(String name)	查找名称为 name 的类，返回的结果是 java.lang.Class 类的实例。
findLoadedClass(String name)	查找名称为 name 的已经被加载过的类，返回的结果是 java.lang.Class 类的实例。
defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)	把字节数组 b 中的内容转换成 Java 类，返回的结果是 java.lang.Class 类的实例。这个方法被声明为 final 的。
resolveClass(Class<?> c)	链接指定的 Java 类。

双亲委派模型

从JVM角度来说，Java 中的类加载器大致可以分成两类，一类是系统提供的（C++实现），是JVM的一部分；另外一类则是由 Java 应用开发人员编写的，独立于JVM，并且全部继承自java.lang.ClassLoader。

从开发者角度来说，类加载器主要有下面三个：

• 引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）：它用来加载 Java 的核心库，是用C++代码来实现的，并不继承自 java.lang.ClassLoader 。
• 扩展类加载器（Extensions ClassLoader）：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。
• 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：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。类加载器之间关系一般如下图所示：

图中所展示的类加载器之间的层次关系被称之为类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation Model）。每个 Java 类都维护着一个指向定义它的类加载器的引用，通过 getClassLoader() 方法就可以获取到此引用，代码层面：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader loader = Main.class.getClassLoader();
        while (loader != null) {
            System.out.println(loader.toString());
            loader = loader.getParent();
        }
    }
}

❯ java .\Test.java
com.sun.tools.javac.launcher.Main$MemoryClassLoader@50b472aa  //JDK11提供java命令直接运行.java文件
jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@6bc168e5	//应用程序类加载器
jdk.internal.loader.ClassLoaders$PlatformClassLoader@3d74bf60	// ExtClassLoader(JKD1.9之后为PlatformClassLoader)

双亲委派模型要求除了顶层的引导类加载器外，其余的类加载器都要有自己的父类加载器。这里的类加载器之间的父子关系一般通过使用组合关系复用父加载器的代码。双亲委派模型于JDK1.2被引入并广泛用于所有的Java应用程序中，它并不是强制性的约束模型，而是推荐给开发者的一种类加载器实现方式。

双亲委派模型的工作流程：如果一个类加载器收到了类加载的请求，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去完成，每一个层次的类加载器都是如此。因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

类加载器的代理模式

类加载器在尝试自己去查找某个类的字节代码并定义它时，会先代理给其父类加载器，由父类加载器先去尝试加载这个类，依次类推。

代理模式是为了保证 Java 核心库的类型安全。所有 Java 应用都至少需要引用 java.lang.Object 类，也就是说在运行的时候， java.lang.Object 这个类需要被加载到 Java 虚拟机中。如果这个加载过程由 Java 应用自己的类加载器来完成的话，很可能就存在多个版本的 java.lang.Object 类，而且这些类之间是不兼容的。通过代理模式，对于 Java 核心库的类的加载工作由引导类加载器来统一完成，保证了 Java 应用所使用的都是同一个版本的 Java 核心库的类，是互相兼容的。

不同的类加载器为相同名称的类创建了额外的名称空间。相同名称的类可以并存在 Java 虚拟机中，只需要用不同的类加载器来加载它们即可。不同类加载器加载的类之间是不兼容的，这就相当于在 Java 虚拟机内部创建了一个个相互隔离的 Java 类空间。这种技术在许多框架中都被用到，后面会详细介绍。

加载类的过程

在前面介绍类加载器的代理模式的时候，提到过类加载器会首先代理给其它类加载器来尝试加载某个类。这就意味着真正完成类的加载工作的类加载器和启动这个加载过程的类加载器，有可能不是同一个。真正完成类的加载工作是通过调用 defineClass 来实现的；而启动类的加载过程是通过调用 loadClass 来实现的。前者称为一个类的定义加载器（defining loader），后者称为初始加载器（initiating loader）。在 Java 虚拟机判断两个类是否相同的时候，使用的是类的定义加载器。也就是说，哪个类加载器启动类的加载过程并不重要，重要的是最终定义这个类的加载器。两种类加载器的关联之处在于：一个类的定义加载器是它引用的其它类的初始加载器。如类 com.example.Outer 引用了类 com.example.Inner ，则由类 com.example.Outer 的定义加载器负责启动类 com.example.Inner 的加载过程。

提示

方法 loadClass() 抛出的是 java.lang.ClassNotFoundException 异常；方法 defineClass() 抛出的是 java.lang.NoClassDefFoundError 异常。

类加载器在成功加载某个类之后，会把得到的 java.lang.Class 类的实例缓存起来。下次再请求加载该类的时候，类加载器会直接使用缓存的类的实例，而不会尝试再次加载。也就是说，对于一个类加载器实例来说，相同全名的类只加载一次，即 loadClass 方法不会被重复调用。

线程上下文类加载器

线程上下文类加载器（context class loader）是从 JDK 1.2 开始引入的。类 java.lang.Thread 中的方法 getContextClassLoader() 和 setContextClassLoader(ClassLoader cl) 用来获取和设置线程的上下文类加载器。如果没有通过 setContextClassLoader(ClassLoader cl) 方法进行设置的话，线程将继承其父线程的上下文类加载器。Java 应用运行的初始线程的上下文类加载器是系统类加载器。在线程中运行的代码可以通过此类加载器来加载类和资源。

前面提到的类加载器的代理模式并不能解决 Java 应用开发中会遇到的类加载器的全部问题。Java 提供了很多服务提供者接口（Service Provider Interface，SPI），允许第三方为这些接口提供实现。常见的 SPI 有 JDBC、JCE、JNDI、JAXP 和 JBI 等。这些 SPI 的接口由 Java 核心库来提供，如 JAXP 的 SPI 接口定义包含在 javax.xml.parsers 包中。这些 SPI 的实现代码很可能是作为 Java 应用所依赖的 jar 包被包含进来，可以通过类路径（CLASSPATH）来找到，如实现了 JAXP SPI 的 Apache Xerces 所包含的 jar 包。SPI 接口中的代码经常需要加载具体的实现类。如 JAXP 中的 javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory 类中的 newInstance() 方法用来生成一个新的 DocumentBuilderFactory 的实例。这里的实例的真正的类是继承自 javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory ，由 SPI 的实现所提供的。如在 Apache Xerces 中，实现的类是 org.apache.xerces.jaxp.DocumentBuilderFactoryImpl 。而问题在于，SPI 的接口是 Java 核心库的一部分，是由引导类加载器来加载的；SPI 实现的 Java 类一般是由系统类加载器来加载的。引导类加载器是无法找到 SPI 的实现类的，因为它只加载 Java 的核心库。它也不能代理给系统类加载器，因为它是系统类加载器的祖先类加载器。也就是说，类加载器的代理模式无法解决这个问题。

线程上下文类加载器正好解决了这个问题。如果不做任何的设置，Java 应用的线程的上下文类加载器默认就是系统上下文类加载器。在 SPI 接口的代码中使用线程上下文类加载器，就可以成功的加载到 SPI 实现的类。线程上下文类加载器在很多 SPI 的实现中都会用到。

Class.forName

Class.forName 是一个静态方法，同样可以用来加载类。该方法有两种形式：Class.forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader) 和 Class.forName(String className) 。第一种形式的参数 name 表示的是类的全名； initialize 表示是否初始化类；loader 表示加载时使用的类加载器。第二种形式则相当于设置了参数 initialize 的值为 true，loader 的值为当前类的类加载器。Class.forName 的一个很常见的用法是在加载数据库驱动的时候。如 Class.forName("org.apache.derby.jdbc.EmbeddedDriver").newInstance() 用来加载 Apache Derby 数据库的驱动。

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。