JVM類加載器之ClassLoader的使用詳解
類加載器
概述
類加載器負責讀取Java字節(jié)代碼，并轉換成java.lang.Class類的一個實例的代碼模塊。
類加載器除了用于加載類外，還可用于確定類在Java虛擬機中的唯一性。
任意一個類，都由加載它的類加載器和這個類本身一同確定其在 Java 虛擬機中的唯一性，每一個類加載器，都有一個獨立的類名稱空間，而不同類加載器中是允許同名(指全限定名相同)類存在的。
比較兩個類是否“相等”，前提是這兩個類由同一個類加載器加載，否則，即使這兩個類來源于同一個Class 文件，被同一個虛擬機加載，只要加載它們的類加載器不同，那么這兩個類就必定不相等。
這里“相等”是指：類的Class對象的equals()方法、isInstance()方法的返回結果，使用instanceof關鍵字做對象所屬關系判定等情況。
加載器的種類
1.啟動類加載器：Bootstrap ClassLoader
最頂層的加載類，由 C++實現，負責加載%JAVA_HOME%/lib目錄下的jar包和類或者被 -Xbootclasspath參數指定的路徑中的所有類。
2.拓展類加載器：Extension ClassLoader
負責加載java平臺中擴展功能的一些jar包，如加載%JRE_HOME%/lib/ext目錄下的jar包和類，或-Djava.ext.dirs所指定的路徑下的jar包。
3.系統類加載器/應用程序加載器：App ClassLoader
負責加載當前應用classpath中指定的jar包及-Djava.class.path所指定目錄下的類和jar包。開發(fā)者可以直接使用這個類加載器，如果應用程序中沒有自定義過自己的類加載器，一般情況下這個就是程序中默認的類加載器。
4.自定義類加載器：Custom ClassLoader
通過java.lang.ClassLoader的子類自定義加載class，屬于應用程序根據自身需要自定義的ClassLoader，如tomcat、jboss都會根據j2ee規(guī)范自行實現ClassLoader
驗證不同加載器
每個類加載都有一個父類加載器，可以通過程序來驗證
public static void main(String[] args) {
// App ClassLoader
System.out.println(new User().getClass().getClassLoader());
// Ext ClassLoader
System.out.println(new User().getClass().getClassLoader().getParent());
// Bootstrap ClassLoader
System.out.println(new User().getClass().getClassLoader().getParent().getParent());
// Bootstrap ClassLoader
System.out.println(new String().getClass().getClassLoader());
}
AppClassLoader的父類加載器為ExtClassLoader， ExtClassLoader的父類加載器為 null，null 并不代表ExtClassLoader沒有父類加載器，而是 BootstrapClassLoader 。
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@5fdef03a null null
核心方法
查看類ClassLoader的loadClass方法
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// First, check if the class has already been loaded
// 檢查類是否已經加載
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
// 父加載器不為空，調用父加載器loadClass()方法處理
if (parent != null) {
// 讓上一層加載器進行加載
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
// 父加載器為空，使用啟動類加載器 BootstrapClassLoader 加載
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// 拋出異常說明父類加載器無法完成加載請求
// 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();
// 調用此類加載器所實現的findClass方法進行加載
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方法是當字節(jié)碼加載到內存后進行鏈接操作，對文件格式和字節(jié)碼驗證，并為 static 字段分配空間并初始化，符號引用轉為直接引用，訪問控制，方法覆蓋等
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
JVM類加載機制的三種方式
全盤負責
當一個類加載器負責加載某個Class時，該Class所依賴的和引用的其他Class也將由該類加載器負責載入，除非顯示使用另外一個類加載器來載入
注意：
系統類加載器AppClassLoader加載入口類（含有main方法的類）時，會把main方法所依賴的類及引用的類也載入。只是調用了ClassLoader.loadClass(name)方法，并沒有真正定義類。真正加載class字節(jié)碼文件生成Class對象由雙親委派機制完成。
父類委托、雙親委派
父類委托即雙親委派，雙親委派模型是描述類加載器之間的層次關系。它要求除了頂層的啟動類加載器外，其余的類加載器都應當有自己的父類加載器。父子關系一般不會以繼承的關系實現，而是以組合關系來復用父加載器的代碼。
雙親委派模型是指：子類加載器如果沒有加載過該目標類，就先委托父類加載器加載該目標類，只有在父類加載器找不到字節(jié)碼文件的情況下才從自己的類路徑中查找并裝載目標類。
雙親委派模型的好處
保證Java程序的穩(wěn)定運行，避免類的重復加載：JVM區(qū)分不同類的方式不僅僅根據類名，相同的類文件被不同的類加載器加載產生的是兩個不同的類
保證Java核心API不被篡改：如果沒有使用雙親委派模型，而是每個類加載器加載自己的話就會出現一些問題，如編寫一個稱為java.lang.Object 類，程序運行時，系統就會出現多個不同的Object類。反之使用雙親委派模型：無論使用哪個類加載器加載，最終都會委派給最頂端的啟動類加載器加載，從而使得不同加載器加載的Object類都是同一個。
雙親委派機制加載Class的具體過程：
1. ClassLoader先判斷該Class是否已加載，如果已加載，則返回Class對象，如果沒有則委托給父類加載器
2. 父類加載器判斷是否加載過該Class，如果已加載，則返回Class對象，如果沒有則委托給祖父類加載器
3. 依此類推，直到始祖類加載器（引用類加載器）
4. 始祖類加載器判斷是否加載過該Class，如果已加載，則返回Class對象
如果沒有則嘗試從其對應的類路徑下尋找class字節(jié)碼文件并載入
如果載入成功，則返回Class對象；如果載入失敗，則委托給始祖類加載器的子類加載器
5. 始祖類加載器的子類加載器嘗試從其對應的類路徑下尋找class字節(jié)碼文件并載入
如果載入成功，則返回Class對象；如果載入失敗，則委托給始祖類加載器的孫類加載器
6. 依此類推，直到源ClassLoader
7. 源ClassLoader嘗試從其對應的類路徑下尋找class字節(jié)碼文件并載入
如果載入成功，則返回Class對象；如果載入失敗，源ClassLoader不會再委托其子類加載器，而是拋出異常
注意：
雙親委派機制是Java推薦的機制，并不是強制的機制?？梢岳^承java.lang.ClassLoader類，實現自己的類加載器。如果想保持雙親委派模型，應該重寫findClass(name)方法；如果想破壞雙親委派模型，可以重寫loadClass(name)方法。
緩存機制
緩存機制將會保證所有加載過的Class都將在內存中緩存，當程序中需要使用某個Class時，類加載器先從內存的緩存區(qū)尋找該Class，只有緩存區(qū)不存在，系統才會讀取該類對應的二進制數據，并將其轉換成Class對象，存入緩存區(qū)。
對于一個類加載器實例來說，相同全名的類只加載一次，即loadClass方法不會被重復調用。因此，這就是為什么修改Class后，必須重啟JVM，程序的修改才會生效的原因。
JDK8使用的是直接內存，所以會用到直接內存進行緩存。因此，類變量為什么只會被初始化一次的原因。
打破雙親委派
在加載類的時候，會一級一級向上委托，判斷是否已經加載，從自定義類加載器 --> 應用類加載器 --> 擴展類加載器 --> 啟動類加載器，如果到最后都沒有加載這個類，則回去加載自己的類。
雙親委派模型并不是強制模型，而且會帶來一些些的問題。例如：java.sql.Driver類，JDK只能提供一個規(guī)范接口，而不能提供實現。提供實現的是實際的數據庫提供商，提供商的庫不可能放JDK目錄里。
重寫loadclass方法
自定義類加載，重寫loadclass方法，即可破壞雙親委派機制
因為雙親委派的機制都是通過這個方法實現的，這個方法可以指定類通過什么類加載器來進行加載，所有如果改寫加載規(guī)則，相當于打破雙親委派機制
import cn.ybzy.demo.Test;
import java.io.*;
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
byte[] classData;
try {
classData = loadClassData(name);
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
if (classData == null) {
throw new ClassNotFoundException();
} else {
return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
}
}
private byte[] loadClassData(String className) throws IOException {
String replace = className.replace('.', File.separatorChar);
String path = ClassLoader.getSystemResource("").getPath() + replace + ".class";
InputStream inputStream = null;
ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = null;
try {
inputStream = new FileInputStream(path);
byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
int bufferSize = 1024;
byte[] buffer = new byte[bufferSize];
int length = 0;
while ((length = inputStream.read(buffer)) != -1) {
byteArrayOutputStream.write(buffer, 0, length);
}
return byteArrayOutputStream.toByteArray();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (byteArrayOutputStream != null) {
byteArrayOutputStream.close();
}
if (inputStream != null) {
inputStream.close();
}
}
return null;
}
@Override
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 {
// 修改classloader的原雙親委派邏輯，從而打破雙親委派
if (name.startsWith("cn.ybzy.demo")) {
c = findClass(name);
} else {
c = this.getParent().loadClass(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;
}
}
}
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
Class<?> aClass = classLoader.loadClass(Test.class.getName());
System.out.println(aClass.getClassLoader());
}
cn.ybzy.demo.MyClassLoader@2f410acf
自定義類加載器
自定義類加載器的核心在于對字節(jié)碼文件的獲取，如果是加密的字節(jié)碼則需要在類中對文件進行解密。
準備字節(jié)碼文件
創(chuàng)建Test類，同時進行javac Test.class編譯成字節(jié)碼文件，放到目錄下：D:\Temp\cn\ybzy\demo
package cn.ybzy.demo;
public class Test {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Test...");
}
}
創(chuàng)建自定義類加載器
import java.io.*;
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
private String root;
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
byte[] classData;
try {
classData = loadClassData(name);
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
if (classData == null) {
throw new ClassNotFoundException();
} else {
return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
}
}
private byte[] loadClassData(String className) throws IOException {
String fileName = root + File.separatorChar + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
InputStream inputStream = null;
ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = null;
try {
inputStream = new FileInputStream(fileName);
byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
int bufferSize = 1024;
byte[] buffer = new byte[bufferSize];
int length = 0;
while ((length = inputStream.read(buffer)) != -1) {
byteArrayOutputStream.write(buffer, 0, length);
}
return byteArrayOutputStream.toByteArray();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (byteArrayOutputStream != null) {
byteArrayOutputStream.close();
}
if (inputStream != null) {
inputStream.close();
}
}
return null;
}
public String getRoot() {
return root;
}
public void setRoot(String root) {
this.root = root;
}
}
執(zhí)行測試
啟動main方法，執(zhí)行測試
public static void main(String[] args) {
MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
classLoader.setRoot("D:\\Temp");
Class<?> testClass = null;
try {
testClass = classLoader.loadClass("cn.ybzy.demo.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();
}
}
cn.ybzy.demo.MyClassLoader@5679c6c6
將Test類放到項目類路徑下，由于雙親委托機制的存在，會直接導致該類由 AppClassLoader 加載，而不會通過自定義類加載器來加載
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
注意事項
1、這里傳遞文件名需要是類的全限定性名稱，因為defineClass方法是按這種方式/格式進行處理
因此，若沒有全限定名，需要將類的全路徑加載進去
2、不要重寫loadClass方法，因為這樣容易破壞雙親委托模式
3、Test類本身可以被AppClassLoader類加載，因此不能把Test.class放在類路徑下
否則，由于雙親委托機制的存在，會直接導致該類由AppClassLoader加載，而不會通過自定義類加載器來加載
以上就是JVM類加載器之ClassLoader的使用詳解的詳細內容，更多關于JVM類加載器ClassLoader的資料請關注腳本之家其它相關文章！
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