Java源碼解析之ClassLoader
一、前言
一個完整的Java應用程序，當程序在運行時，即會調用該程序的一個入口函數來調用系統的相關功能，而這些功能都被封裝在不同的class文件當中，所以經常要從這個class文件中要調用另外一個class文件中的方法，如果另外一個文件不存在的，則會引發系統異常。而程序在啟動的時候，並不會一次性加載程序所要用的所有class文件，而是根據程序的需要，通過Java的類加載機制（ClassLoader）來動態加載某個class文件到內存當中的，從而隻有class文件被載入到瞭內存之後，才能被其它class所引用。所以ClassLoader就是用來動態加載class文件到內存當中用的。
Android平臺上虛擬機運行的是Dex字節碼,一種對class文件優化的產物,傳統Class文件是一個Java源碼文件會生成一個.class文件，而Android是把所有Class文件進行合並，優化，然後生成一個最終的class.dex,目的是把不同class文件重復的東西隻需保留一份,如果我們的Android應用不進行分dex處理,最後一個應用的apk隻會有一個dex文件。
二、java 中的 ClassLoader
BootstrapClassLoader
負責加載 JVM 運行時的核心類，比如 JAVA_HOME/lib/rt.jar 等等
ExtensionClassLoader
負責加載 JVM 的擴展類，比如 JAVA_HOME/lib/ext 下面的 jar 包
AppClassLoader
負責加載 classpath 裡的 jar 包和目錄
三、Android 中的 ClassLoader
BootClassLoader
負責 Android系統啟動時會使用BootClassLoader來預加載常用類，與Java中的Bootstrap ClassLoader不同的是，它並不是由C/C++代碼實現，而是由Java實現的。BootClassLoader是ClassLoader的一個內部類。
PathClassLoader
負責加載已經安裝的Apk，也就是/data/app/package 下的apk文件，也可以加載/vendor/lib, /system/lib下的nativeLibrary
DexClassLoader
負責加載可以加載一個未安裝的apk文件。
四、雙親委派機制
每一個 ClassLoader 中都有一個 parent 對象，代表的是父類加載器，在加載一個類的時候，會先使用父類加載器去加載，如果在父類加載器中沒有找到，自己再進行加載，如果 parent 為空，那麼就用系統類加載器來加載。通過這樣的機制可以保證系統類都是由系統類加載器加載的。 下面是 ClassLoader 的 loadClass 方法的具體實現。
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) {
// 先從父類加載器中進行加載
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) {
// 沒有找到，再自己加載
c = findClass(name);
}
}
return c;
}
五、源碼分析
1.現在我們看下 BaseDexClassLoader 繼承自ClassLoader
public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader{
...
//存放需要加載的dexList
private final DexPathList pathList;
/**
*
* @param dexPath 需要加載的dex文件所在的路徑
* @param optimizedDirectory Android系統將dex文件進行優化後所生成的ODEX文件的存放路徑，該路徑必須是一個內部存儲路徑。
* @param librarySearchPath 目標類所使用的c、c++庫存放的路徑
* @param parent 該加載器的父加載器，一般為當前執行類的加載器
*/
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，關系到是否可調用隱藏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 字節緩存數組的dex文件
* @param parent 該加載器的父加載器
*/
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);
}
/**
* 通過完整的類名尋找對應的類
* @param name 傳入一個完整的類名
* @return
* @throws ClassNotFoundException
*/
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();
//1 在pathList中尋找name對應的類
Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions);
// 如果未找到此類，則拋出異常
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: 繼承自BaseDexClassLoader
public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {
/**
*
* @param dexPath dex文件路徑集合
* @param parent 父加載器
*/
public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
//調用父類BaseDexClassLoader 四參構造方法
super(dexPath, null, null, parent);
}
/**
*
* @param dexPath dex文件路徑集合
* @param librarySearchPath 包含 C/C++庫的路徑集合，多個路徑用文件分隔符分隔分割，可以為null
* @param parent 父加載器
*/
public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
//調用父類BaseDexClassLoader 四參構造方法
super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
}
}
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
/**
*
* @param dexPath dex文件路徑集合，多個路徑用文件分隔符分隔，默認文件分隔符為":"
* @param optimizedDirectory 解壓的dex文件存儲路徑，這個路徑必須是一個內部存儲路徑，一般情況下使用當前應用程序的私有路徑
* @param librarySearchPath 包含 C/C++ 庫的路徑集合，多個路徑用文件分隔符分隔分割，可以為null
* @param parent 父加載器
*/
public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
// 調用父類BaseDexClassLoader 四參構造方法，在API26以上，librarySearchPath參數已棄用，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);
}
}
我們看1 處 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的數組
private Element[] dexElements;
// 存放本地庫文件的列表
private final List<File> nativeLibraryDirectories;
// 存放系統本地庫文件的列表
private final List<File> systemNativeLibraryDirectories;
// 存放創建dexElement列表時引發異常的列表
private IOException[] dexElementsSuppressedExceptions;
DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
String librarySearchPath, File optimizedDirectory, boolean isTrusted) {
...
this.definingContext = definingContext; //BaseDexClassLoader構造器中會傳入其本身
ArrayList<IOException> suppressedExceptions = new ArrayList<IOException>();
// 通過dexPath路徑使用分隔符將其轉換成dexElements列表
this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
suppressedExceptions, definingContext, isTrusted);
...
}
// 為本地庫搜索路徑生成一個directory/zip path元素數組
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()) { //如果是文件夾，則直接添加至elements
elements[elementsPos++] = new Element(file);
} else if (file.isFile()) { //如果是文件
String name = file.getName();
DexFile dex = null;
//是否為 .dex 文件
if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
// Raw dex file (not inside a zip/jar).
try {
//如果是 dex 文件，則加載這個文件
dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory, loader, elements);
if (dex != null) {
//將dex 文件保存,註意第二個參數傳的底 null
elements[elementsPos++] = new Element(dex, null);
}
} catch (IOException suppressed) {
System.logE("Unable to load dex file: " + file, suppressed);
suppressedExceptions.add(suppressed);
}
} else {
//如果不是目錄且不是 .dex 結尾的，那麼他可能是 jar。加載這個文件
dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory, loader, elements);
if (dex == null) {
elements[elementsPos++] = new Element(file);
} else {
// 保存dex 文件 和 當前的 file，這種情況下可能是 jar，具體可以看這個構造方法
elements[elementsPos++] = new Element(dex, file);
}
if (dex != null && isTrusted) { //如果dex對象不為空且是允許信任狀態
dex.setTrusted(); // 將此dex對象設置為已信任，它可以訪問平臺的隱藏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) {
// 遍歷dex列表
for (Element element : dexElements) {
//2
Class<?> clazz = element.findClass(name, definingContext, suppressed);
//如果找到我們需要的name類，直接返回當前clazz
if (clazz != null) {
return clazz;
}
}
if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
}
return null;
}
}
看註釋2處 此時會通過makeDexElements方法生成一個Element數組，緊接著當前類中的findClass方法又會調用DexPathList中的Element類的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 通過loadClassBinaryName方法尋找name類，找到即返回它，否則返回null
return dexFile != null ? dexFile.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed)
: null;
}
}
註釋3 處 通過loadClassBinaryName 最後調用native層 defineClassNative的方法 分析到這裡可以看出，最終進行Class字節碼的加載操作，是通過底層的native方法來完成的。
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