Java 類加載機(jī)制詳細(xì)介紹
一、類加載器
類加載器(ClassLoader),顧名思義,即加載類的東西。在我們使用一個(gè)類之前,JVM需要先將該類的字節(jié)碼文件(.class文件)從磁盤、網(wǎng)絡(luò)或其他來源加載到內(nèi)存中,并對(duì)字節(jié)碼進(jìn)行解析生成對(duì)應(yīng)的Class對(duì)象,這就是類加載器的功能。我們可以利用類加載器,實(shí)現(xiàn)類的動(dòng)態(tài)加載。
二、類的加載機(jī)制
在Java中,采用雙親委派機(jī)制來實(shí)現(xiàn)類的加載。那什么是雙親委派機(jī)制?在Java Doc中有這樣一段描述:
The ClassLoader class uses a delegation model to search for classes and resources. Each instance of ClassLoader has an associated parent class loader. When requested to find a class or resource, a ClassLoader instance will delegate the search for the class or resource to its parent class loader before attempting to find the class or resource itself. The virtual machine's built-in class loader, called the "bootstrap class loader", does not itself have a parent but may serve as the parent of a ClassLoader instance.
從以上描述中,我們可以總結(jié)出如下四點(diǎn):
1、類的加載過程采用委托模式實(shí)現(xiàn)
2、每個(gè) ClassLoader 都有一個(gè)父加載器。
3、類加載器在加載類之前會(huì)先遞歸的去嘗試使用父加載器加載。
4、虛擬機(jī)有一個(gè)內(nèi)建的啟動(dòng)類加載器(bootstrap ClassLoader),該加載器沒有父加載器,但是可以作為其他加載器的父加載器。
Java 提供三種類型的系統(tǒng)類加載器。第一種是啟動(dòng)類加載器,由C++語言實(shí)現(xiàn),屬于JVM的一部分,其作用是加載 <Java_Runtime_Home>/lib 目錄中的文件,并且該類加載器只加載特定名稱的文件(如 rt.jar),而不是該目錄下所有的文件。另外兩種是 Java 語言自身實(shí)現(xiàn)的類加載器,包括擴(kuò)展類加載器(ExtClassLoader)和應(yīng)用類加載器(AppClassLoader),擴(kuò)展類加載器負(fù)責(zé)加載<Java_Runtime_Home>\lib\ext目錄中或系統(tǒng)變量 java.ext.dirs 所指定的目錄中的文件。應(yīng)用程序類加載器負(fù)責(zé)加載用戶類路徑中的文件。用戶可以直接使用擴(kuò)展類加載器或系統(tǒng)類加載器來加載自己的類,但是用戶無法直接使用啟動(dòng)類加載器,除了這兩種類加載器以外,用戶也可以自定義類加載器,加載流程如下圖所示:
注意:這里父類加載器并不是通過繼承關(guān)系來實(shí)現(xiàn)的,而是采用組合實(shí)現(xiàn)的。
我們可以通過一段程序來驗(yàn)證這個(gè)過程:
public class Test { } public class TestMain { public static void main(String[] args) { ClassLoader loader = Test.class.getClassLoader(); while (loader!=null){ System.out.println(loader); loader = loader.getParent(); } } }
上面程序的運(yùn)行結(jié)果如下所示:
從結(jié)果我們可以看出,默認(rèn)情況下,用戶自定義的類使用 AppClassLoader 加載,AppClassLoader 的父加載器為 ExtClassLoader,但是 ExtClassLoader 的父加載器卻顯示為空,這是什么原因呢?究其緣由,啟動(dòng)類加載器屬于 JVM 的一部分,它不是由 Java 語言實(shí)現(xiàn)的,在 Java 中無法直接引用,所以才返回空。但如果是這樣,該怎么實(shí)現(xiàn) ExtClassLoader 與 啟動(dòng)類加載器之間雙親委派機(jī)制?我們可以參考一下源碼:
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // First, check if the class has already been loaded Class<?> c = findLoadedClass(name); if (c == null) { long t0 = System.nanoTime(); 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. long t1 = System.nanoTime(); c = findClass(name); // this is the defining class loader; record the stats sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0); sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1); sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment(); } } if (resolve) { resolveClass(c); } return c; } }
從源碼可以看出,ExtClassLoader 和 AppClassLoader都繼承自 ClassLoader 類,ClassLoader 類中通過 loadClass 方法來實(shí)現(xiàn)雙親委派機(jī)制。整個(gè)類的加載過程可分為如下三步:
1、查找對(duì)應(yīng)的類是否已經(jīng)加載。
2、若未加載,則判斷當(dāng)前類加載器的父加載器是否為空,不為空則委托給父類去加載,否則調(diào)用啟動(dòng)類加載器加載(findBootstrapClassOrNull 再往下會(huì)調(diào)用一個(gè) native 方法)。
3、若第二步加載失敗,則調(diào)用當(dāng)前類加載器加載。
通過上面這段程序,可以很清楚的看出擴(kuò)展類加載器與啟動(dòng)類加載器之間是如何實(shí)現(xiàn)委托模式的。
現(xiàn)在,我們?cè)衮?yàn)證另一個(gè)問題。我們將剛才的Test類打成jar包,將其放置在 <Java_Runtime_Home>\lib\ext 目錄下,然后再次運(yùn)行上面的代碼,結(jié)果如下:
現(xiàn)在,該類就不再通過 AppClassLoader 來加載,而是通過 ExtClassLoader 來加載了。如果我們?cè)噲D把jar包拷貝到<Java_Runtime_Home>\lib,嘗試通過啟動(dòng)類加載器加載該類時(shí),我們會(huì)發(fā)現(xiàn)編譯器無法識(shí)別該類,因?yàn)閱?dòng)類加載器除了指定目錄外,還必須是特定名稱的文件才能加載。
三、自定義類加載器
通常情況下,我們都是直接使用系統(tǒng)類加載器。但是,有的時(shí)候,我們也需要自定義類加載器。比如應(yīng)用是通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸 Java 類的字節(jié)碼,為保證安全性,這些字節(jié)碼經(jīng)過了加密處理,這時(shí)系統(tǒng)類加載器就無法對(duì)其進(jìn)行加載,這樣則需要自定義類加載器來實(shí)現(xiàn)。自定義類加載器一般都是繼承自 ClassLoader 類,從上面對(duì) loadClass 方法來分析來看,我們只需要重寫 findClass 方法即可。下面我們通過一個(gè)示例來演示自定義類加載器的流程:
package com.paddx.test.classloading; import java.io.*; /** * Created by liuxp on 16/3/12. */ public class MyClassLoader extends ClassLoader { private String root; protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { byte[] classData = loadClassData(name); if (classData == null) { throw new ClassNotFoundException(); } else { return defineClass(name, classData, 0, classData.length); } } private byte[] loadClassData(String className) { String fileName = root + File.separatorChar + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class"; try { InputStream ins = new FileInputStream(fileName); ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); int bufferSize = 1024; byte[] buffer = new byte[bufferSize]; int length = 0; while ((length = ins.read(buffer)) != -1) { baos.write(buffer, 0, length); } return baos.toByteArray(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } return null; } public String getRoot() { return root; } public void setRoot(String root) { this.root = root; } public static void main(String[] args) { MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader(); classLoader.setRoot("/Users/liuxp/tmp"); Class<?> testClass = null; try { testClass = classLoader.loadClass("com.paddx.test.classloading.Test"); Object object = testClass.newInstance(); System.out.println(object.getClass().getClassLoader()); } catch (ClassNotFoundException e) { e.printStackTrace(); } catch (InstantiationException e) { e.printStackTrace(); } catch (IllegalAccessException e) { e.printStackTrace(); } } }
運(yùn)行上面的程序,輸出結(jié)果如下:
自定義類加載器的核心在于對(duì)字節(jié)碼文件的獲取,如果是加密的字節(jié)碼則需要在該類中對(duì)文件進(jìn)行解密。由于這里只是演示,我并未對(duì)class文件進(jìn)行加密,因此沒有解密的過程。這里有幾點(diǎn)需要注意:
1、這里傳遞的文件名需要是類的全限定性名稱,即com.paddx.test.classloading.Test格式的,因?yàn)?defineClass 方法是按這種格式進(jìn)行處理的。
2、最好不要重寫loadClass方法,因?yàn)檫@樣容易破壞雙親委托模式。
3、這類 Test 類本身可以被 AppClassLoader 類加載,因此我們不能把 com/paddx/test/classloading/Test.class 放在類路徑下。否則,由于雙親委托機(jī)制的存在,會(huì)直接導(dǎo)致該類由 AppClassLoader 加載,而不會(huì)通過我們自定義類加載器來加載。
四、總結(jié)
雙親委派機(jī)制能很好地解決類加載的統(tǒng)一性問題。對(duì)一個(gè) Class 對(duì)象來說,如果類加載器不同,即便是同一個(gè)字節(jié)碼文件,生成的 Class 對(duì)象也是不等的。也就是說,類加載器相當(dāng)于 Class 對(duì)象的一個(gè)命名空間。雙親委派機(jī)制則保證了基類都由相同的類加載器加載,這樣就避免了同一個(gè)字節(jié)碼文件被多次加載生成不同的 Class 對(duì)象的問題。但雙親委派機(jī)制僅僅是Java 規(guī)范所推薦的一種實(shí)現(xiàn)方式,它并不是強(qiáng)制性的要求。近年來,很多熱部署的技術(shù)都已不遵循這一規(guī)則,如 OSGi 技術(shù)就采用了一種網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu),而非雙親委派機(jī)制。
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