Java源码解析之ClassLoader

一、前言

一个完整的java应用程序，当程序在运行时，即会调用该程序的一个入口函数来调用系统的相关功能，而这些功能都被封装在不同的class文件当中，所以经常要从这个class文件中要调用另外一个class文件中的方法，如果另外一个文件不存在的，则会引发系统异常。而程序在启动的时候，并不会一次性加载程序所要用的所有class文件，而是根据程序的需要，通过java的类加载机制（classloader）来动态加载某个class文件到内存当中的，从而只有class文件被载入到了内存之后，才能被其它class所引用。所以classloader就是用来动态加载class文件到内存当中用的。

android平台上虚拟机运行的是dex字节码,一种对class文件优化的产物,传统class文件是一个java源码文件会生成一个.class文件，而android是把所有class文件进行合并，优化，然后生成一个最终的class.dex,目的是把不同class文件重复的东西只需保留一份,如果我们的android应用不进行分dex处理,最后一个应用的apk只会有一个dex文件。

二、java 中的 classloader

bootstrapclassloader
负责加载 jvm 运行时的核心类，比如 java_home/lib/rt.jar 等等

extensionclassloader
负责加载 jvm 的扩展类，比如 java_home/lib/ext 下面的 jar 包

appclassloader
负责加载 classpath 里的 jar 包和目录

三、android 中的 classloader

bootclassloader

负责 android系统启动时会使用bootclassloader来预加载常用类，与java中的bootstrap classloader不同的是，它并不是由c/c++代码实现，而是由java实现的。bootclassloader是classloader的一个内部类。
pathclassloader

负责加载已经安装的apk，也就是/data/app/package 下的apk文件，也可以加载/vendor/lib, /system/lib下的nativelibrary

dexclassloader

负责加载可以加载一个未安装的apk文件。

四、双亲委派机制

每一个 classloader 中都有一个 parent 对象，代表的是父类加载器，在加载一个类的时候，会先使用父类加载器去加载，如果在父类加载器中没有找到，自己再进行加载，如果 parent 为空，那么就用系统类加载器来加载。通过这样的机制可以保证系统类都是由系统类加载器加载的。 下面是 classloader 的 loadclass 方法的具体实现。

protected class<?> loadclass(string name, boolean resolve)
        throws classnotfoundexception
    {
            // first, check if the class has already been loaded
            class<?> c = findloadedclass(name);
            if (c == null) {
                try {
                    if (parent != null) {
                        // 先从父类加载器中进行加载
                        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) {
                    // 没有找到，再自己加载
                    c = findclass(name);
                }
            }
            return c;
    }

五、源码分析

1.现在我们看下 basedexclassloader 继承自classloader

public class basedexclassloader extends classloader{
 
	...
	
	//存放需要加载的dexlist
	private final dexpathlist pathlist;
	
	/**
     *
     * @param dexpath   需要加载的dex文件所在的路径
     * @param optimizeddirectory  android系统将dex文件进行优化后所生成的odex文件的存放路径，该路径必须是一个内部存储路径。
     * @param librarysearchpath   目标类所使用的c、c++库存放的路径
     * @param parent  该加载器的父加载器，一般为当前执行类的加载器
     */
    public basedexclassloader(string dexpath, file optimizeddirectory,
            string librarysearchpath, classloader parent) {
        this(dexpath, optimizeddirectory, librarysearchpath, parent, false);
    }
 
	/**
     *
     * @param dexpath
     * @param optimizeddirectory
     * @param librarysearchpath
     * @param parent
     * @param istrusted   是否已信任，关系到是否可调用隐藏api
     */
    public basedexclassloader(string dexpath, file optimizeddirectory,
            string librarysearchpath, classloader parent, boolean istrusted) {
        super(parent);
        this.pathlist = new dexpathlist(this, dexpath, librarysearchpath, null, istrusted);
 
        ...
    }
	
	 /**
     * 
     * @param dexfiles 字节缓存数组的dex文件
     * @param parent   该加载器的父加载器
     */
	public basedexclassloader(bytebuffer[] dexfiles, classloader parent) {
        // todo we should support giving this a library search path maybe.
        super(parent);
        this.pathlist = new dexpathlist(this, dexfiles);
    }
	
	/**
     * 通过完整的类名寻找对应的类
     * @param name  传入一个完整的类名
     * @return
     * @throws classnotfoundexception
     */
	@override
    protected class<?> findclass(string name) throws classnotfoundexception {
        list<throwable> suppressedexceptions = new arraylist<throwable>();
		//1 在pathlist中寻找name对应的类
        class c = pathlist.findclass(name, suppressedexceptions);
		// 如果未找到此类，则抛出异常
        if (c == null) {
            classnotfoundexception cnfe = new classnotfoundexception(
                    "didn't find class \"" + name + "\" on path: " + pathlist);
            for (throwable t : suppressedexceptions) {
                cnfe.addsuppressed(t);
            }
            throw cnfe;
        }
        return c;
    }
}

pathclassloader 和dexclassloader: 继承自basedexclassloader

public class pathclassloader extends basedexclassloader {
  
     /**
     *
     * @param dexpath   dex文件路径集合
     * @param parent    父加载器
     */
    public pathclassloader(string dexpath, classloader parent) {
        //调用父类basedexclassloader 四参构造方法
        super(dexpath, null, null, parent);
    }
 
    /**
     *
     * @param dexpath   dex文件路径集合
     * @param librarysearchpath    包含 c/c++库的路径集合，多个路径用文件分隔符分隔分割，可以为null
     * @param parent    父加载器
     */
    public pathclassloader(string dexpath, string librarysearchpath, classloader parent) {
        //调用父类basedexclassloader 四参构造方法
        super(dexpath, null, librarysearchpath, parent);
    }
}

public class dexclassloader extends basedexclassloader {
 
	 /**
     *
     * @param dexpath      dex文件路径集合，多个路径用文件分隔符分隔，默认文件分隔符为":"
     * @param optimizeddirectory   解压的dex文件存储路径，这个路径必须是一个内部存储路径，一般情况下使用当前应用程序的私有路径
     * @param librarysearchpath   包含 c/c++ 库的路径集合，多个路径用文件分隔符分隔分割，可以为null
     * @param parent       父加载器
     */
    public dexclassloader(string dexpath, string optimizeddirectory,
            string librarysearchpath, classloader parent) {
			
		// 调用父类basedexclassloader 四参构造方法，在api26以上，librarysearchpath参数已弃用，使用此方法		
        super(dexpath, null, librarysearchpath, parent);
		
		// api26及以下使用此方法		
		// super(dexpath, new file(optimizeddirectory), librarysearchpath, parent);
    }
}

我们看1 处 pathlist 的 findclass 是如何查找的

/*package*/ final class dexpathlist {
    private static final string dex_suffix = ".dex";
    private static final string zipseparator = "!/";
 
    private final classloader definingcontext;
 
	// dex/resource 存放dex的数组
    private element[] dexelements;
 
	// 存放本地库文件的列表
    private final list<file> nativelibrarydirectories;
 
	// 存放系统本地库文件的列表
    private final list<file> systemnativelibrarydirectories;
 
	// 存放创建dexelement列表时引发异常的列表
    private ioexception[] dexelementssuppressedexceptions;
	
	dexpathlist(classloader definingcontext, string dexpath,
            string librarysearchpath, file optimizeddirectory, boolean istrusted) {
        ...
 
        this.definingcontext = definingcontext; //basedexclassloader构造器中会传入其本身
 
        arraylist<ioexception> suppressedexceptions = new arraylist<ioexception>();
        // 通过dexpath路径使用分隔符将其转换成dexelements列表
        this.dexelements = makedexelements(splitdexpath(dexpath), optimizeddirectory,
                                           suppressedexceptions, definingcontext, istrusted);
 
       
        ...
    }
	
	 // 为本地库搜索路径生成一个directory/zip path元素数组
	 private static element[] makedexelements(list<file> files, file optimizeddirectory,
            list<ioexception> suppressedexceptions, classloader loader, boolean istrusted) {
      element[] elements = new element[files.size()];
      int elementspos = 0;
     
      for (file file : files) {
          if (file.isdirectory()) { //如果是文件夹，则直接添加至elements
              elements[elementspos++] = new element(file);
          } else if (file.isfile()) { //如果是文件
       
              string name = file.getname();
              dexfile dex = null;
              //是否为 .dex 文件
              if (name.endswith(dex_suffix)) {
                  // raw dex file (not inside a zip/jar).
                  try {
                      //如果是 dex 文件，则加载这个文件
                      dex = loaddexfile(file, optimizeddirectory, loader, elements);
                      if (dex != null) {
                          //将dex 文件保存,注意第二个参数传的底 null 
                          elements[elementspos++] = new element(dex, null);
                      }
                  } catch (ioexception suppressed) {
                      system.loge("unable to load dex file: " + file, suppressed);
                      suppressedexceptions.add(suppressed);
                  }
              } else {
                  //如果不是目录且不是 .dex 结尾的，那么他可能是 jar。加载这个文件
                      dex = loaddexfile(file, optimizeddirectory, loader, elements);          
                  if (dex == null) {
                      elements[elementspos++] = new element(file);
                  } else {
                      // 保存dex 文件 和 当前的 file，这种情况下可能是 jar，具体可以看这个构造方法
                      elements[elementspos++] = new element(dex, file);
                  }
 
              if (dex != null && istrusted) { //如果dex对象不为空且是允许信任状态
                dex.settrusted(); // 将此dex对象设置为已信任，它可以访问平台的隐藏api
              }
          } else {
              system.logw("classloader referenced unknown path: " + file);
          }
      }
      if (elementspos != elements.length) {
          elements = arrays.copyof(elements, elementspos);
      }
      return elements;
    }
	
	public class<?> findclass(string name, list<throwable> suppressed) {
		// 遍历dex列表
        for (element element : dexelements) {
            //2   
            class<?> clazz = element.findclass(name, definingcontext, suppressed);
			//如果找到我们需要的name类，直接返回当前clazz
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }
 
        if (dexelementssuppressedexceptions != null) {
            suppressed.addall(arrays.aslist(dexelementssuppressedexceptions));
        }
        return null;
    }
}

看注释2处 此时会通过makedexelements方法生成一个element数组，紧接着当前类中的findclass方法又会调用dexpathlist中的element类的findclass方法。

static class element {
      
        private final file path;
 
        private final dexfile dexfile;
 
        private classpathurlstreamhandler urlhandler;
        private boolean initialized;
 
		...
		
      
		...
		
        public class<?> findclass(string name, classloader definingcontext,list<throwable> suppressed) {
			// 3 通过loadclassbinaryname方法寻找name类，找到即返回它，否则返回null 
            return dexfile != null ? dexfile.loadclassbinaryname(name, definingcontext, suppressed)
                    : null;
        }
 
    }

注释3 处   通过loadclassbinaryname 最后调用native层 defineclassnative的方法 分析到这里可以看出，最终进行class字节码的加载操作，是通过底层的native方法来完成的。

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