作为一名资深 Java 开发者，相信大家对于 ClassLoader 这个神秘的类加载器一定不陌生。它就像一个黑魔法师，神奇地将 .class 字节码文件加载到内存之中，为整个 Java 运行时提供了坚实基础。

今天，就让我带着大家一同揭开 ClassLoader 的神秘面纱，领略这位黑魔法师的精髓所在!我们将循序渐进，首先介绍 ClassLoader 的基本概念和种类，接着分析 Java 双亲委托机制的设计哲学，最后探索 Android 上 DexClassLoader 等与加载器相关的实现细节。文末，我还为大家准备了一个惊喜，敬请期待!

一、ClassLoader 详细介绍

ClassLoader 是 Java 中用于加载类的一个抽象类。在 Java 程序运行时环境中，ClassLoader 负责读取 Java 字节代码（通常存储在 .class 文件中），并将其转换成 java.lang.Class 对象。每个 Class 对象都包含有关类的信息，例如类名、字段、方法等。

#### 1、Java 虚拟机（JVM）提供了几种类型的 `ClassLoader`

• 引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这是最顶层的加载器，负责加载 Java 核心库，例如 java.lang.Object。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：加载 Java 扩展目录（通常是 jre/lib/ext 目录）中的类库。
• 系统类加载器（System ClassLoader）：也称为应用类加载器，负责加载用户类路径（-cp 或者 CLASSPATH 环境变量指定的路径）上的类。
• 自定义类加载器（Custom ClassLoader）：开发者可以继承 ClassLoader 类并重写 findClass、loadClass 等方法来创建自己的类加载器。

#### 2、`ClassLoader` 的主要方法包括

• loadClass(String name)：加载一个类，如果该类已经被加载，则返回已加载的类。
• findClass(String name)：查找一个类，这个方法需要被重写以实现自定义的类加载逻辑。
• defineClass(String name， byte[] b， int off， int len)：将字节数组定义为一个类。
• resolveClass(Class<?> c)：将一个类解析为一个完整的类，即初始化类变量，执行类构造器等。

使用自定义类加载器可以带来一些好处，例如：

• 代码源的灵活性：可以动态地从不同源加载类，例如网络、数据库等。
• 版本控制：可以同时加载多个版本的类。
• 安全：可以控制类加载过程，实现安全策略。

三、双亲委托机制

在探讨 ClassLoader 的关键机制双亲委托之前，不妨先让我们思考一个问题:为什么 Java 设计者要引入这个看似多余的机制?

答案是为了解决类加载时可能出现的安全性问题。

设想如果一个 Java 程序可以自己随意加载类，那么很容易就出现如下攻击:恶意代码在加载一个 java.lang.Object 类的时候，直接把它切换成了自己的实现版本，可能会导致整个系统出现安全隐患。为了避免这一问题，即使用户代码里编写了自己的 ClassLoader，最终加载路径仍然由 Java 内置的三个 ClassLoader 控制。

具体来说，双亲委托机制如下:

• 首先检查要加载的类型是否已经被加载过。

• 如果未加载，则通过父类加载器尝试加载这个类，直到无父加载器。

• 如果父类加载器无法加载，则通过当前加载器尝试加载这个类。

可以看到，双亲委托机制是"优先通过父加载器加载类，直到无父加载器才通过自身加载"。

这一机制强制同一类型的类只能被一个加载器加载，从而保证了类的唯一性，有效避免了安全隐患。

如下：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建 ExtensionClassLoader 实例并加载类
    ExtClassLoader ext = new ExtClassLoader();
    Class clazz = ext.loadClass("java.lang.String");
    System.out.println(clazz); // 输出:class java.lang.String
    System.out.println(clazz.getClassLoader()); // 输出:null

    // 创建自定义 ClassLoader 并加载类
    MyClassLoader mc = new MyClassLoader();
    Class c2 = mc.loadClass("Hello");
    System.out.println(c2); // 输出:class Hello
    System.out.println(c2.getClassLoader()); // 输出:com.test.MyClassLoader
}

// 自定义 ClassLoader 
class MyClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // 1. 先委托父加载器加载
        try {
            return super.loadClass(name);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // 2. 自身加载失败
        }
        
        // 3. 加载当前路径下的 hello.xlass 文件
        byte[] data = loadClassData(name);
        return defineClass(name， data， 0， data.length);
    }

    private byte[] loadClassData(String name) {
        // ...
    }
}

四、Android Dalvik 与 ART

Android 操作系统最初使用 Dalvik 作为其运行时环境，从 Android 5.0（Lollipop）开始，Android 运行时环境被 ART（Android Runtime）所取代。虽然 Dalvik 和 ART 在类加载机制上有一些相似之处，但它们在实现细节上有所不同。

1、Dalvik 类加载器

Dalvik 是一个为 Android 设计的虚拟机，它有自己的类加载器。Dalvik 类加载器遵循 Java 类加载器的双亲委派模型，但有一些关键的区别：

• Dex 文件：Dalvik 虚拟机使用 .dex 文件作为其可执行代码的格式，这是为了优化内存使用和提高性能。.dex 文件是 .class 文件的压缩版本。

• Dalvik ClassLoader：Dalvik 的类加载器负责将 .dex 文件加载到内存中，并将其转换为 Dalvik 执行的代码。Dalvik 类加载器不直接加载 .class 文件，而是加载 .apk 文件中的 .dex 文件。

• 优化：Dalvik 虚拟机对代码进行了一些优化，例如预验证和即时编译（JIT），以提高执行效率。

#### 2、ART 类加载器

ART（Android Runtime）是 Android 5.0 引入的新的运行时环境，它取代了 Dalvik。ART 引入了 Ahead-of-Time（AOT）编译，这意味着所有的 Dalvik 字节码在应用安装时就被编译成了机器码。

• AOT 编译：ART 在应用安装时将 Dalvik 字节码编译成机器码，这减少了运行时的编译开销，提高了应用的启动速度和性能。

• 类加载器：ART 也使用类加载器来加载应用的代码，但它的类加载器与 Dalvik 的不同。ART 的类加载器在应用安装时参与 AOT 编译过程，并且负责管理编译后的代码。

• 内存映像：ART 允许应用在后台进行内存映像的编译，这意味着应用在首次启动时可能需要一些时间来完成编译，但之后的启动和运行会更快。

• 垃圾收集：ART 引入了更先进的垃圾收集机制，以提高内存管理的效率。

#### 3、类加载器的比较

• 编译时机：Dalvik 虚拟机使用 JIT 编译，即在运行时编译代码；而 ART 使用 AOT 编译，在应用安装时编译代码。

• 性能：由于 AOT 编译，ART 通常提供更快的应用启动时间和更好的运行时性能。

• 内存使用：ART 通过优化内存管理，减少了内存占用。

• 兼容性：ART 旨在与 Dalvik 兼容，因此大多数为 Dalvik 编写的应用可以在 ART 上运行，但有些应用可能需要针对 AOT 编译进行优化。

总的来说，ART 通过引入 AOT 编译和其他优化，提供了比 Dalvik 更快的性能和更好的内存管理。然而，ART 的类加载器和 Dalvik 类加载器在设计和实现上有所不同，以适应各自的运行时特性。

五、三种主要的类加载器

在 Android 开发中，类加载器（ClassLoader）扮演着至关重要的角色。直接使用 PathClassLoader 和 DexClassLoader 的情况比较少见，因为 Android 系统已经为我们管理了大部分的类加载工作。然而，了解如何使用这些类加载器可以帮助开发者在需要动态加载代码时进行操作。

以下是 Android 中三种主要的类加载器的详细介绍：

1、PathClassLoader

`PathClassLoader` 是 Android 中用于加载 APK 文件的类加载器。它继承自 `BaseDexClassLoader`，后者是所有基于路径的类加载器的基类。

PathClassLoader 主要用于加载应用的 .apk 或 .jar 文件。

• 用途：PathClassLoader 通常用于加载应用的主 .apk 文件。它将 APK 文件中的 .dex 文件加载到内存中，并允许应用执行其中的代码。
• 双亲委派模型：PathClassLoader 遵循 Java 的双亲委派模型，这意味着它首先会委托给父类加载器（通常是 ClassLoader.getSystemClassLoader()）来尝试加载类。如果父类加载器无法加载，PathClassLoader 才会尝试自己加载。
• 初始化：Android 系统在启动应用时自动初始化 PathClassLoader，开发者通常不需要直接与它交互。

由于 PathClassLoader 通常由 Android 系统自动使用，开发者通常不需要直接实例化它。

但是，如果你需要在测试环境中模拟 PathClassLoader 的行为，可以这样做：

// 假设我们有一个 APK 文件的路径
String apkPath = "/path/to/your.apk";

// 获取系统类加载器
ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();

// 创建 PathClassLoader 的实例（这通常不是推荐的做法）
ClassLoader pathClassLoader = new PathClassLoader(apkPath， systemClassLoader.getParent());

// 使用 PathClassLoader 加载类
Class<?> myClass = pathClassLoader.loadClass("com.example.MyClass");

2、 DexClassLoader

DexClassLoader 也是 Android 中的一个类加载器，同样继承自 BaseDexClassLoader。

与 PathClassLoader 不同的是，DexClassLoader 允许开发者动态加载 APK 或 JAR 文件。

• 动态加载：DexClassLoader 用于在运行时动态加载 APK 或 JAR 文件。这对于需要在应用中加载外部库或模块的情况非常有用。
• 自定义路径：开发者可以指定一个自定义的路径来加载 .dex 文件，这使得 DexClassLoader 比 PathClassLoader 更加灵活。
• 使用场景：DexClassLoader 常用于插件化开发、热修复、动态加载模块等场景。

DexClassLoader允许开发者动态加载.dex文件或 APK。以下是一个如何使用DexClassLoader` 的示例：

import dalvik.system.DexClassLoader;

// 动态库的路径
String dexPath = "/path/to/your.dex";
// 优化路径，通常设置为 null
String optimizedDirectory = null;
// 系统类加载器
ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
// 父类加载器
ClassLoader parentClassLoader = systemClassLoader.getParent();

// 创建 DexClassLoader 的实例
DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(
        dexPath， 
        optimizedDirectory， 
        null， 
        parentClassLoader
);

// 使用 DexClassLoader 加载类
Class<?> myClass = dexClassLoader.loadClass("com.example.MyClass");

// 实例化类
Object instance = myClass.newInstance();

3、BootClassLoader

BootClassLoader 是 Android 系统中用于加载系统核心库的类加载器，它通常不直接暴露给开发者，因此开发者无法直接使用它来加载类。

它负责加载 Android 框架的核心类，比如 Activity、Context、View 等，这些类是 Android 应用开发的基础。

• 核心库加载：BootClassLoader 加载的类包括 Android 框架的核心类，如 android.app.Activity、android.view.View 等。
• 不可直接访问：与 Java 的引导类加载器类似，BootClassLoader 不可直接被开发者访问或扩展。它由 Android 系统内部管理。
• 性能优化：由于 BootClassLoader 负责加载系统核心库，因此它通常会进行一些性能优化，以确保系统运行的高效性。

4、注意事项

• 在 Android 应用中，通常不需要手动创建 PathClassLoader 或 DexClassLoader，因为 Android 系统会自动处理 APK 的加载。

• DexClassLoader 主要用于动态加载 APK 或 JAR 文件，这在插件化开发或热修复等场景中非常有用。

• 使用 DexClassLoader 时，需要确保提供的路径是正确的，并且文件具有可执行权限。

• 在 Android 5.0（Lollipop）及以上版本，由于 ART 的引入，DexClassLoader 已经被 PathClassLoader 取代，ART 通过 AOT 编译机制优化了性能。

• PathClassLoader 主要用于加载应用的主 APK 文件，遵循双亲委派模型。

• DexClassLoader 允许开发者在运行时动态加载 APK 或 JAR 文件，提供了更多的灵活性。

• BootClassLoader 是系统内部使用的引导类加载器，用于加载 Android 系统的核心库。

了解这些类加载器的特点和用途，对于 Android 开发者来说非常重要，尤其是在进行插件化开发、热修复等高级应用开发时。

六、结语

通过本文的探讨，相信大家对于 ClassLoader 这位"黑魔法师"已经有了更深入的了解。我们从 Java 中内置的三种 ClassLoader 说起，分析了双亲委托机制的设计哲学;随后介绍了 Android 平台上 DexClassLoader 等与加载器相关的实现细节;最后还窥探了在某些特殊场景下"打破"双亲委托的可能性。

当然，ClassLoader 的奥秘远不止于此。它在模块化开发、代码隔离、热部署等领域扮演着至关重要的角色。未来的 Java 版本中，类加载器也可能会有重大革新，以契合场景化编程等新型开发理念。因此，作为一名资深 Java 开发者，我们有必要时刻保持对 ClassLoader 的关注，紧跟它的发展脚步。

最后，正如开篇所说，文末我会为大家准备一个小惊喜。这里给出一个挑战题目:如何实现一个"终极"加载器，使得它能加载任何指定位置的 .class 文件?有兴趣的读者朋友们不妨自己先思考一下，我将在下期为大家揭晓答案!

更多 Java 相关的技术分享，也欢迎持续关注我的博客。我们下期再见!