深入理解Android ClassLoader机制的实现原理

一、ClassLoader概述

ClassLoader（类加载器）是Java虚拟机的一项核心技术，实现了虚拟机动态加载类及其依赖的特性。ClassLoader主要负责查找并加载类文件，将其转换成Java类，在需要的时候初始化类，并为Java程序提供必要的运行时环境。在Android系统中，ClassLoader也占据了同样的核心位置。

Android应用程序运行在DVM（Dalvik虚拟机）或ART（Android Runtime）上，这两个运行时环境使用的ClassLoader也不同。DVM使用的ClassLoader是PathClassLoader，它是一种基于Dex文件的类加载器。ART使用的ClassLoader是ArtClassLoader，它是一种基于Oat文件的类加载器。以下我们将以PathClassLoader为例，详细介绍Android ClassLoader机制的实现原理。

二、ClassLoader分类

ClassLoader的实现机制不一，根据具体的实现方式，可以将ClassLoader分为以下几种类型：

1. BootStrap ClassLoader

负责加载JVM运行需要的基础类库（如rt.jar、i18n.jar、sunrsasign.jar等）。BootStrap ClassLoader是JVM内置的ClassLoader，并不继承自java.lang.ClassLoader，它是用C++编写的，提供了JVM的基础服务。

2. Extension ClassLoader

负责加载JRE扩展的类库（如jce.jar、localedata.jar等）。Extension ClassLoader是由Sun的扩展类加载器实现的，它继承自ClassLoader，它的父类加载器是BootStrap ClassLoader。

3. Application ClassLoader

也称作System ClassLoader，是ClassLoader的默认实现。它负责加载CLASSPATH路径下的类文件和应用程序本身的类文件。Application ClassLoader是Java应用程序开发中，开发人员最关心的ClassLoader实现之一。

另外的还有自定义ClassLoader，它可以继承ClassLoader并重新实现加载机制。开发人员可以使用自定义ClassLoader加载特定的类文件或按照特定规则实现类的加载，从而实现一些特定的功能。

三、ClassLoader实现原理

ClassLoader机制的实现依赖于ClassLoader的双亲委派机制。在ClassLoader加载类的时候，首先询问它的父类加载器是否能够加载该类，如果不能，则自身尝试加载。如果自身不能加载，则逐级向上委派，直至BootStrap ClassLoader都不能加载，最终由自身去完成类的加载。这种方式保证了一个类在虚拟机中只有一个版本（不同的ClassLoader实例会加载不同的版本，无法互相访问），避免了类的重复加载，也保证了类的安全性。

ClassLoader机制的实现过程大致可以分为以下几个步骤：

1. 对于需要加载的类，首先从缓存中查找是否已经加载过。

ClassLoader会将已经加载成功的类文件缓存在内存中，以便下次使用时可以直接从缓存中获取。如果已经存在，则返回成功加载的类对象。

2. 如果没有找到可用的缓存，则请求父ClassLoader进行加载。

ClassLoader在委托父ClassLoader之前，先使用findLoadedClass()方法再进行一次查找，以避免出现重复加载的现象。如果父ClassLoader存在，则请求父ClassLoader进行加载。如果父ClassLoader也无法加载，则继续向上委派，直至委派到BootStrap ClassLoader。

3. 如果所有的父ClassLoader都无法加载，则从本地文件系统或者网络等位置获取要加载的.class文件。

ClassLoader在查找.class文件的时候，会根据一定规则查找指定路径下的.class文件。一般包括CLASSPATH路径、系统默认路径以及其他用户自定义的路径。如果能够查找到要加载的.class文件，则将它转换成Java类并返回。否则，抛出ClassNotFoundException。

4. 将加载成功的类文件存储到缓存中。

为了以后可以重用已经成功加载的类文件，ClassLoader会将成功加载的类文件存储到缓存中，下次再使用时可以直接从缓存中获取。

四、Class对象与ClassLoader

每个Java类在虚拟机中都有一个对应的Class对象，ClassLoader负责将类文件加载到虚拟机中，并转换成Class对象。通过Class对象，可以获取类的信息，包括类名、父类、接口、字段、方法等信息。ClassLoader不仅加载类文件，它还负责创建和管理Class对象，即ClassLoader与Class对象是一一对应的关系。ClassLoader利用类的全限定名来查找并加载类，因此不同的ClassLoader实例可以加载同名的类，但这些类之间是互不共享的，可以看成具有相同类名但具有不同命名空间的不同类。

以下是一个简单的例子，介绍ClassLoader和Class对象的关系：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        // 获取系统ClassLoader
        ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();

        // 加载Hello类
        Class c = cl.loadClass("com.example.Hello");

        // 输出Hello的类名
        System.out.println("类名：" + c.getName());

        // 输出Hello的Class对象的ClassLoader
        System.out.println("ClassLoader：" + c.getClassLoader());
    }
}

以上代码中，使用ClassLoader.getSystemClassLoader()方法获取系统ClassLoader，然后使用ClassLoader加载指定的类。最后输出类的名称和ClassLoader。在Java中，类的名称是唯一的，而ClassLoader是有继承链的。因此在ClassLoader的继承链上，可以有多个ClassLoader实例同时加载同名的类。另外，需要注意，系统ClassLoader是默认的ClassLoader，如果没有指定ClassLoader，一般都会使用系统ClassLoader。

五、注意事项

ClassLoader机制对程序的运行维护起到了重要的作用，但是在使用时还需要注意以下事项：

1. 类的可访问性

当ClassLoader加载一个类时，要保证该类的访问性。如果类文件的可访问性限制了访问该类的ClassLoader的话，则会抛出SecurityException异常。

2. 类的初始化时机

一个类只有被使用时才会被初始化。类的初始化是指虚拟机为该类生成Class对象，并且在内存中分配资源。类的初始化时机包括：创建该类的实例对象、访问类的静态成员（被final修饰的静态成员除外）、使用是客户端JVM所在的Java程序启动时被标明为启动类的类、使用了反射API的类等。如果一个类没有被使用，则不会被加载和初始化，即便ClassLoader已经加载了该类的字节码文件。

3. 线程上下文ClassLoader

线程上下文ClassLoader用于在多个线程中对ClassLoader进行传递和继承。线程的上下文ClassLoader可以通过Thread类的setContextClassLoader()方法设置。当一个线程需要加载一个类时，它首先尝试使用自己的ClassLoader，如果未找到，则使用其线程上下文ClassLoader。如果该线程上下文ClassLoader也未找到，则委托父线程的上下文ClassLoader进行查找，直至BootStrap ClassLoader。线程上下文ClassLoader基本上是由应用程序自行负责管理的，JVM在不同的线程中使用不同的ClassLoader对同一类进行加载时，可能会导致出现问题。因此，在引入第三方类库、动态加载类和OSGi等场景下，都需要注意ClassLoader的使用。

六、总结

ClassLoader是Java虚拟机的基础服务，它提供了Java程序动态加载类的能力。Android应用程序同样运用了ClassLoader机制，用于实现在运行时动态加载和卸载类。ClassLoader加载类的过程遵循双亲委派机制，保证了类在虚拟机中的唯一性和安全性。ClassLoader机制是Java和Android程序设计不可或缺的一部分，熟练掌握ClassLoader的使用，对程序的设计和性能优化有很大的帮助。