前言

無論是 Java 還是 Android，學習它們的類加載機制都非常重要的。本文統一記錄兩個平臺下 ClassLoader 的實現。

一、Java 中的 ClassLoader

1.1 Bootstrap ClassLoader 引導類加載器

作用：
加載 Java 系統類，如 java.lang.*、java.uti.*等。JVM 的啟動也是由它創建的初始類來完成的。
特點：
C/C++ 實現；
不繼承于 java.lang.ClassLoader。

1.2 Extensions ClassLoader 擴展類加載器

作用：
加載 Java 擴展類，比如 swing 系列（圖形化）、內置的 js 引擎、xml 解析器等等。

1.3 AppClassLoader 應用程序加載器

作用：
加載當前應用程序 Classpath 目錄下的所有 jar 和 Class 文件。可指定目錄。

1.4 CustomClassLoader 自定義加載器

作用：
自己實現的加載器。
特點：
繼承于 java.lang.ClassLoader。
Extensions ClassLoader 和 App ClassLoader 也繼承了java.lang.ClassLoader 類。

Java 類加載器繼承關系

繼承關系

ClassLoader：是抽象類，定義類加載器主要功能；
SecureClassLoader：繼承了 ClassLoader，加入權限相關功能，加強安全性；
URLClassLoader：通過 Uri 路徑從 jar 文件和文件夾中加載類和資源；
ExtClassLoader 和 AppClassLoader 都繼承自 URLClassLoader，都是 Launcher 的內部類。
Launcher 是 Java 虛擬機的入口應用，ExtClassLoader 和 AppClassLoader 都是在 Launcher 中進行初始化的。

雙親委托（Parents Delegation Model）

定義：
所謂的雙親委托，也就是這些 ClassLoader 在加載類或接口時，首先判斷該 Class 是否已經加載。如果沒有加載則去委托給父類去加載，這樣依次查找。
到最后會找到最頂層的 Bootstrap ClassLoader，如果找到或成功加載該 Class 則返回。這樣就完成了一個所謂的 "Parents Delegation" 的過程。
如果最頂層沒有返回，則只能自己加載了。

package java.lang ClassLoader # loadClass 方法

 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) {
                        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.
                    c = findClass(name);
                }
            }
            return c;
    }

作用：
至于為什么采用這種模式，是有原因的。Java 中判斷兩個類是否相等，也包括匹配兩者的類加載器。如果兩個類的加載器不同，就算他們名字一樣、路徑一樣，依舊會被認為不是同一個類。
這里的相等包含：equals() 方法、isAssignableFrom() 方法、isInstantce() 方法。
優點：
避免重復加載；
更加安全，不容易被隨意篡改。

1.5 自定義 ClassLoader

重寫 findClass() 方法，調用 loadClass() 時如果父加載器不為空或不能加載，會調用該方法進行加載。
加載 Class 文件，這里是使用文件流加載。

public class MyClassLoader extends ClassLoader {

    // 1. 重寫 findClass 方法
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) {
        Class clazz = null;
        byte[] classData = loadData();
        if (null != classData) {
            clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
        return clazz;
    }
    // 2.從磁盤加載文件
    private byte[] loadData() {
        File file = new File("D:\\Test.class");
        InputStream in = null;
        ByteArrayOutputStream out = null;
        try {
            in = new FileInputStream(file);
            out = new ByteArrayOutputStream();
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int length = 0;
            while ((length = in.read(buffer)) != -1) {
                out.write(buffer, 0, length);
            }
            return out.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (null != in) {
                    in.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                if (null != out) {
                    out.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return null;
    }
}

進行調試，最后打印出來的類名為 TestClass。

public static void main(String[] args) {
    MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader();
    try {
         // 指定類名加載，也可以擴展一下遍歷加載文件夾下所有文件
         Class c = myClassLoader.loadClass("com.sky.test.Test");
         System.out.print(c.getSimpleName());//TestClass
    } catch (ClassNotFoundException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

二、Android 中的 ClassLoader

Android 中的 ClassLoader 以及繼承結構：

ClassLoader：頂級父類。

$\hookrightarrow$ BootClassLoader：Android 系統啟動時預加載常用類。
BaseDexClassLoader
- $\hookrightarrow$ PathClassLoader：加載指定目錄下的類；
- $\hookrightarrow$ DexClassLoader：加載指定目錄下的類；
- $\hookrightarrow$ InMemoryDexClassLoader：加載內存中的類；
SecureClassLoader：擴展權限功能，增加安全性。
- URLClassLoader：加載 URL 路徑的類和資源。

2.1 BootClassLoader

java.lang.ClassLoader 內部類 BootClassLoader

class BootClassLoader extends ClassLoader {

    private static BootClassLoader instance;

    @FindBugsSuppressWarnings("DP_CREATE_CLASSLOADER_INSIDE_DO_PRIVILEGED")
    public static synchronized BootClassLoader getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new BootClassLoader();
        }

        return instance;
    }

    public BootClassLoader() {
        super(null);
    }
}

作用：
Android 系統啟動時，預加載常用類。
特點：
java 實現；
ClassLoader 內部類，同包訪問；
功能大多使用 VMClassLoader（虛擬機 ClassLoader）調用 native 方法實現。很好理解，因為 VM 是 C/C++ 實現的，所以會調用 native 方法去加載類或資源。

2.2 PathClassLoader

dalvik.system.PathClassLoader

public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, null, parent);
    }
    public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
    }
}

作用：
加載 dex 文件，各種形式的（dex/apk/jar）。
構造器：
dexPath：文件路徑；
librarySearchPath：包含 C、C++庫的路徑集合；
parent：父加載器。

2.3 DexClassLoader

public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
            String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, new File(optimizedDirectory), librarySearchPath, parent);
        }
}

作用：
加載 dex 文件，各種形式的（dex/apk/jar ）。
構造器
dexPath ：dex 文件路徑集合，多個文件用分隔符分割，默認分隔符 “：”；
optimizedDirectory：已解壓 dex 文件路徑，該路徑必須為內部存儲路徑。一般為：/data/data/<Package Name>/...，作為緩存路徑使用。
librarySearchPath：庫的路徑集合，可以為 null；
parent：父加載器。

PathClassLoader 和 DexClassLoader 異同

DexClassLoader 和 PathDexClassLoader 都能加載各處的 dex 文件。

API26 之前版本傳遞 optimizedDirectory 參數有不同區別：

DexClassLoader 傳參 optimizedDirectory 可以自定義 dex 優化后存放的路徑。
PathDexClassLoader 傳 null，緩存到默認 data/dalvik-cache/ 路徑中。

API26 之后統一了緩存 dex 文件的路徑，optimizedDirectory 參數已棄用。統一存放到了 dex 文件同級目錄下的 oat/< isa > 文件作為緩存文件的存儲目錄。

2.4 BootClassLoader 創建過程

Zygote 創建時，調用 ZygoteInit 方法，這個過程中創建了 BootClassLoader ：

ZygoteInit 調用 preload() 方法進行預加載；

frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

public static void main(String argv[]) {
    ...
    // 預加載方法
    preload(bootTimingsTraceLog);
    ...
}

preload() 方法調用 preloadClasses(); 用來加載 Class

static void preload(TimingsTraceLog bootTimingsTraceLog) {
    ...
    preloadClasses();
    ...
}

preloadClasses() 方法以流的方式，從系統指定目錄預加載 Class。

private static final String PRELOADED_CLASSES = "/system/etc/preloaded-classes";

private static void preloadClasses() {
        final VMRuntime runtime = VMRuntime.getRuntime();
        InputStream is;
        try {
            // 從目錄創建文件輸入流
            is = new FileInputStream(PRELOADED_CLASSES);
        } catch (FileNotFoundException e) {
            Log.e(TAG, "Couldn't find " + PRELOADED_CLASSES + ".");
            return;
        }
    
        try {
            // 使用 BufferedReader 讀取流，帶緩存 讀取快
            BufferedReader br
                = new BufferedReader(new InputStreamReader(is), 256);

            int count = 0;
            String line;
            while ((line = br.readLine()) != null) {
                line = line.trim();
                if (line.startsWith("#") || line.equals("")) {
                    continue;
                }
                Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, line);
                try {
                    if (false) {
                        Log.v(TAG, "Preloading " + line + "...");
                    }
                    // 讀取到的數據轉換為 Class
                    Class.forName(line, true, null);
                    count++;
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    Log.w(TAG, "Class not found for preloading: " + line);
                } 
        ...
        } catch (IOException e) {
            Log.e(TAG, "Error reading " + PRELOADED_CLASSES + ".", e);
        } finally {
            ...
        }
}

PRELOADED_CLASSES 路徑下的文件，描述了要預加載的類。這里 Zygote 加載了一些通用類，應用程序進程在創建時就無需再次加載了。

frameworks/base/config/preloaded-classes

...
android.app.Dialog
android.app.Dialog$ListenersHandler
android.app.DialogFragment
...
android.app.Fragment
android.app.Fragment$1
android.app.Fragment$AnimationInfo
android.app.Fragment$OnStartEnterTransitionListener
...
android.app.Activity
android.app.Activity$HostCallbacks
android.app.ActivityManager
android.app.ActivityManager$1
android.app.ActivityManager$AppTask
android.app.ActivityManager$MemoryInfo

forName 方法根據類名加載 Class。并且如果 loader 為null，就創建了 BootClassLoader。

    @CallerSensitive
    public static Class<?> forName(String name, boolean initialize,
                                   ClassLoader loader)
        throws ClassNotFoundException
    {
        if (loader == null) {
            // 創建 BootClassLoader
            loader = BootClassLoader.getInstance();
        }
        Class<?> result;
        try {
            // 調用 native 方法加載 Class
            result = classForName(name, initialize, loader);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            Throwable cause = e.getCause();
            if (cause instanceof LinkageError) {
                throw (LinkageError) cause;
            }
            throw e;
        }
        return result;
    }

調用 native 方法加載 Class。

    @FastNative
    static native Class<?> classForName(String className, boolean shouldInitialize,
             ClassLoader classLoader) throws ClassNotFoundException;

2.5 PathClassLoader 創建過程

ZygoteInit 中 main 方法會根據參數進行系統初始化

frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

public static void main(String argv[]) {
    ... // preLoad 在之前，也就是 BootClassLoader 先創建預加載
    boolean startSystemServer = false;
    ...
    for (int i = 1; i < argv.length; i++) {
        ...
        if ("start-system-server".equals(argv[i])) {
            startSystemServer = true;
        }
        ...
    }
    if (startSystemServer) {
        // 看這里
        Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);
        if (r != null) {
            r.run();
            return;
        }
    }
}

forkSystemServer() 方法 fork 系統進程：

private static Runnable forkSystemServer(String abiList, String socketName,ZygoteServer zygoteServer) {
    ...
    int pid;
    /* Request to fork the system server process */
    // 2.1 創建系統進程，返回 pid
    pid = Zygote.forkSystemServer(
                parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                parsedArgs.gids,
                parsedArgs.runtimeFlags,
                null,
                parsedArgs.permittedCapabilities,
                parsedArgs.effectiveCapabilities);
     ...
     if (pid == 0) {
        if (hasSecondZygote(abiList)) {
            waitForSecondaryZygote(socketName);
        }
        zygoteServer.closeServerSocket();
        // 2.2 處理系統進程
        return handleSystemServerProcess(parsedArgs);
     }
     return null;
}

2.1 forkSystemServer() 調用 native 方法 fork 系統進程。

public static int forkSystemServer(int uid, int gid, int[] gids, int runtimeFlags,
            int[][] rlimits, long permittedCapabilities, long effectiveCapabilities) {
    ...
    int pid = nativeForkSystemServer(
        uid, gid, gids, runtimeFlags, rlimits, permittedCapabilities, effectiveCapabilities);
    ...
    return pid;
}

native private static int nativeForkSystemServer(int uid, int gid, int[] gids, int runtimeFlags,
        int[][] rlimits, long permittedCapabilities, long effectiveCapabilities);

2.2 pid == 0，調用 handleSystemServerProcess() 方法處理系統進程邏輯。

private static Runnable handleSystemServerProcess(ZygoteConnection.Arguments parsedArgs) {
    ...
    ClassLoader cl = null;
    if (systemServerClasspath != null) {
        cl = createPathClassLoader(systemServerClasspath, parsedArgs.targetSdkVersion);
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(cl);
    }
    return ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, cl);
}

createPathClassLoader() 使用 ClassLoaderFactory 創建 PathClassLoader。

/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

static ClassLoader createPathClassLoader(String classPath, int targetSdkVersion) {
    String libraryPath = System.getProperty("java.library.path");
    return ClassLoaderFactory.createClassLoader(classPath, libraryPath, libraryPath,
                ClassLoader.getSystemClassLoader(), targetSdkVersion, true /* isNamespaceShared */,
                null /* classLoaderName */);

frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ClassLoaderFactory.java

public static ClassLoader createClassLoader(String dexPath,
           String librarySearchPath, ClassLoader parent, String classloaderName) {
    // 進行判斷，如果 classloaderName 為 null 或 PathClassLoader.class.getName() 則創建 PathClassLoader
    if (isPathClassLoaderName(classloaderName)) {
            return new PathClassLoader(dexPath, librarySearchPath, parent);
    } else if (isDelegateLastClassLoaderName(classloaderName)) {
            return new DelegateLastClassLoader(dexPath, librarySearchPath, parent);
    }
    throw new AssertionError("Invalid classLoaderName: " + classloaderName);

到這里就完成了 PathClassLoader 的創建過程。

總結

Java 中的 ClassLoader：

名稱	作用
ClassLoader	ClassLoader 的抽象
SecureClassLoader	加入權限相關功能，加強安全性
URLClassLoader	通過 Uri 讀取文件
Bootstrap ClassLoader	加載 Java 系統類
Extensions ClassLoader	加載 Java 擴展類
AppClassLoader	加載當前應用程序文件
ExtClassLoader	加載 ext 目錄下文件
自定義 ClassLoader	加載用戶指定 Class 文件

Android 中的 ClassLoader：

名稱	作用
ClassLoader	ClassLoader 的抽象
BootClassLoader	Android 系統啟動時預加載常用類
PathClassLoader	加載指定目錄下的類
DexClassLoader	加載指定目錄下的類
InMemoryDexClassLoader	加載內存中的類
SecureClassLoader	擴展權限功能，增加安全性
URLClassLoader	加載 URL 路徑的類和資源

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ClassLoader：Java Android 總結

ClassLoader：Java Android 總結

前言

一、Java 中的 ClassLoader

1.1 Bootstrap ClassLoader 引導類加載器

1.2 Extensions ClassLoader 擴展類加載器

1.3 AppClassLoader 應用程序加載器

1.4 CustomClassLoader 自定義加載器

Java 類加載器繼承關系

雙親委托（Parents Delegation Model）

1.5 自定義 ClassLoader

二、Android 中的 ClassLoader

2.1 BootClassLoader

2.2 PathClassLoader

2.3 DexClassLoader

PathClassLoader 和 DexClassLoader 異同

2.4 BootClassLoader 創建過程

2.5 PathClassLoader 創建過程

總結

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ClassLoader：Java Android 總結

前言

一、Java 中的 ClassLoader

1.1 Bootstrap ClassLoader 引導類加載器

1.2 Extensions ClassLoader 擴展類加載器

1.3 AppClassLoader 應用程序加載器

1.4 CustomClassLoader 自定義加載器

Java 類加載器繼承關系

雙親委托（Parents Delegation Model）

1.5 自定義 ClassLoader

二、Android 中的 ClassLoader

2.1 BootClassLoader

2.2 PathClassLoader

2.3 DexClassLoader

PathClassLoader 和 DexClassLoader 異同

2.4 BootClassLoader 創建過程

2.5 PathClassLoader 創建過程

總結

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