深入理解Android ClassLoader機制的實現原理

一、ClassLoader概述

ClassLoader（類加載器）是Java虛擬機的一項核心技術，實現了虛擬機動態加載類及其依賴的特性。ClassLoader主要負責查找並加載類文件，將其轉換成Java類，在需要的時候初始化類，並為Java程序提供必要的運行時環境。在Android系統中，ClassLoader也佔據了同樣的核心位置。

Android應用程序運行在DVM（Dalvik虛擬機）或ART（Android Runtime）上，這兩個運行時環境使用的ClassLoader也不同。DVM使用的ClassLoader是PathClassLoader，它是一種基於Dex文件的類加載器。ART使用的ClassLoader是ArtClassLoader，它是一種基於Oat文件的類加載器。以下我們將以PathClassLoader為例，詳細介紹Android ClassLoader機制的實現原理。

二、ClassLoader分類

ClassLoader的實現機制不一，根據具體的實現方式，可以將ClassLoader分為以下幾種類型：

1. BootStrap ClassLoader

負責加載JVM運行需要的基礎類庫（如rt.jar、i18n.jar、sunrsasign.jar等）。BootStrap ClassLoader是JVM內置的ClassLoader，並不繼承自java.lang.ClassLoader，它是用C++編寫的，提供了JVM的基礎服務。

2. Extension ClassLoader

負責加載JRE擴展的類庫（如jce.jar、localedata.jar等）。Extension ClassLoader是由Sun的擴展類加載器實現的，它繼承自ClassLoader，它的父類加載器是BootStrap ClassLoader。

3. Application ClassLoader

也稱作System ClassLoader，是ClassLoader的默認實現。它負責加載CLASSPATH路徑下的類文件和應用程序本身的類文件。Application ClassLoader是Java應用程序開發中，開發人員最關心的ClassLoader實現之一。

另外的還有自定義ClassLoader，它可以繼承ClassLoader並重新實現加載機制。開發人員可以使用自定義ClassLoader加載特定的類文件或按照特定規則實現類的加載，從而實現一些特定的功能。

三、ClassLoader實現原理

ClassLoader機制的實現依賴於ClassLoader的雙親委派機制。在ClassLoader加載類的時候，首先詢問它的父類加載器是否能夠加載該類，如果不能，則自身嘗試加載。如果自身不能加載，則逐級向上委派，直至BootStrap ClassLoader都不能加載，最終由自身去完成類的加載。這種方式保證了一個類在虛擬機中只有一個版本（不同的ClassLoader實例會加載不同的版本，無法互相訪問），避免了類的重複加載，也保證了類的安全性。

ClassLoader機制的實現過程大致可以分為以下幾個步驟：

1. 對於需要加載的類，首先從緩存中查找是否已經加載過。

ClassLoader會將已經加載成功的類文件緩存在內存中，以便下次使用時可以直接從緩存中獲取。如果已經存在，則返回成功加載的類對象。

2. 如果沒有找到可用的緩存，則請求父ClassLoader進行加載。

ClassLoader在委託父ClassLoader之前，先使用findLoadedClass()方法再進行一次查找，以避免出現重複加載的現象。如果父ClassLoader存在，則請求父ClassLoader進行加載。如果父ClassLoader也無法加載，則繼續向上委派，直至委派到BootStrap ClassLoader。

3. 如果所有的父ClassLoader都無法加載，則從本地文件系統或者網絡等位置獲取要加載的.class文件。

ClassLoader在查找.class文件的時候，會根據一定規則查找指定路徑下的.class文件。一般包括CLASSPATH路徑、系統默認路徑以及其他用戶自定義的路徑。如果能夠查找到要加載的.class文件，則將它轉換成Java類並返回。否則，拋出ClassNotFoundException。

4. 將加載成功的類文件存儲到緩存中。

為了以後可以重用已經成功加載的類文件，ClassLoader會將成功加載的類文件存儲到緩存中，下次再使用時可以直接從緩存中獲取。

四、Class對象與ClassLoader

每個Java類在虛擬機中都有一個對應的Class對象，ClassLoader負責將類文件加載到虛擬機中，並轉換成Class對象。通過Class對象，可以獲取類的信息，包括類名、父類、接口、字段、方法等信息。ClassLoader不僅加載類文件，它還負責創建和管理Class對象，即ClassLoader與Class對象是一一對應的關係。ClassLoader利用類的全限定名來查找並加載類，因此不同的ClassLoader實例可以加載同名的類，但這些類之間是互不共享的，可以看成具有相同類名但具有不同命名空間的不同類。

以下是一個簡單的例子，介紹ClassLoader和Class對象的關係：

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

        // 加載Hello類
        Class c = cl.loadClass("com.example.Hello");

        // 輸出Hello的類名
        System.out.println("類名：" + c.getName());

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

以上代碼中，使用ClassLoader.getSystemClassLoader()方法獲取系統ClassLoader，然後使用ClassLoader加載指定的類。最後輸出類的名稱和ClassLoader。在Java中，類的名稱是唯一的，而ClassLoader是有繼承鏈的。因此在ClassLoader的繼承鏈上，可以有多個ClassLoader實例同時加載同名的類。另外，需要注意，系統ClassLoader是默認的ClassLoader，如果沒有指定ClassLoader，一般都會使用系統ClassLoader。

五、注意事項

ClassLoader機制對程序的運行維護起到了重要的作用，但是在使用時還需要注意以下事項：

1. 類的可訪問性

當ClassLoader加載一個類時，要保證該類的訪問性。如果類文件的可訪問性限制了訪問該類的ClassLoader的話，則會拋出SecurityException異常。

2. 類的初始化時機

一個類只有被使用時才會被初始化。類的初始化是指虛擬機為該類生成Class對象，並且在內存中分配資源。類的初始化時機包括：創建該類的實例對象、訪問類的靜態成員（被final修飾的靜態成員除外）、使用是客戶端JVM所在的Java程序啟動時被標明為啟動類的類、使用了反射API的類等。如果一個類沒有被使用，則不會被加載和初始化，即便ClassLoader已經加載了該類的字節碼文件。

3. 線程上下文ClassLoader

線程上下文ClassLoader用於在多個線程中對ClassLoader進行傳遞和繼承。線程的上下文ClassLoader可以通過Thread類的setContextClassLoader()方法設置。當一個線程需要加載一個類時，它首先嘗試使用自己的ClassLoader，如果未找到，則使用其線程上下文ClassLoader。如果該線程上下文ClassLoader也未找到，則委託父線程的上下文ClassLoader進行查找，直至BootStrap ClassLoader。線程上下文ClassLoader基本上是由應用程序自行負責管理的，JVM在不同的線程中使用不同的ClassLoader對同一類進行加載時，可能會導致出現問題。因此，在引入第三方類庫、動態加載類和OSGi等場景下，都需要注意ClassLoader的使用。

六、總結

ClassLoader是Java虛擬機的基礎服務，它提供了Java程序動態加載類的能力。Android應用程序同樣運用了ClassLoader機制，用於實現在運行時動態加載和卸載類。ClassLoader加載類的過程遵循雙親委派機制，保證了類在虛擬機中的唯一性和安全性。ClassLoader機制是Java和Android程序設計不可或缺的一部分，熟練掌握ClassLoader的使用，對程序的設計和性能優化有很大的幫助。