JAVA学习之ClassLoader

前言

最近被 一句话所触动——种一棵树最好的时间是十年前，其次是现在。所以决定要开始记录自己的学习之路。

什么是类加载？

我们都知道，每个.java文件可以经过javac指令编译成.class文件，里面包含着java虚拟机的机器指令。当我们需要使用一个java类时，虚拟机会加载它的.class文件，创建对应的java对象。将.class调入虚拟机的过程，称之为加载。

loading ：加载。通过类的完全限定名找到.class字节码文件，同时创建一个对象。

verification：验证。确保class字节码文件符合当前虚拟机的要求。

preparation：准备。这时候将static修饰的变量进行内存分配，同时设置初始值。

resolution：解析。虚拟机将常量池中的符号引用变为直接引用。

  • 符号引用：在编译之后完成的，一个常量并没有进行内存分配，也就只能用符号引用。
  • 直接引用：常量会在preparation阶段将常量进行内存分配，于是就可以建立直接的虚拟机内存联系，就可以直接引用。

initialization：初始化。类加载的最后阶段。如果这个类有超类，进行超类的初始化，执行类的静态代码块，同时给类的静态变量赋予初值。前面的preparation阶段是分配内存，都只是默认的值，并没有被赋予初值。

类加载在java中有两种方式

  • 显示加载。通过class.fornNme(classname)或者this.getClass().getClassLoader.loadClass(classname)加载。即通过调用类加载器classLoader来完成类的加载
  • 隐式加载。类在需要被使用时，不直接调用ClassLoader，而是虚拟机自动调用ClassLoader加载到内存中。

什么是ClassLoader？

类加载器的任务是将类的二进制字节流读入到JVM中，然后变成一个JVM能识别的class对象，同时实例化。于是我们就可以分解ClassLoader的任务。

  1. 找到类的二进制字节流，并加载进来
  2. 规则化为JVM能识别的class对象

我们查看源码，找到对应解决方案：

在ClassLoader中，定义了两个接口:

  1. findClass(String name).
  2. defineClass(byte[] b , int off , int len)

findClass用于找到二进制文件并读入，调用defineClass用字节流变成JVM能识别的class对象，同时实例化class对象。

我们来看个例子：

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
	  // 获取类的字节数组,通过name找到类，如果你对字节码加密，需要自己解密出来
      byte[] classData = getClassData(name);  
      if (classData == null) {
          throw new ClassNotFoundException();
      } else {
	      //使用defineClass生成class对象
          return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
      }
  }

代理模式

提到类加载器，一定得涉及的是委派模式。在JAVA中，ClassLoader存在一下几类，他们的关系如下：

  • Bootstrap ClassLoader：引导类加载器。采用原生c++实现，用于加载java的核心类（%JAVA_HOME%/lib路径下的核心类库或者 -Xbootclasspath指定下的jar包）到内存中。没有父类。

  • Extension ClassLoader：扩展类加载器。java实现，加载/lib/ext目录下或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位路径中的类库。父类加载器为null。

  • System ClassLoader：它会根据java应用的类路径（CLASSPATH）来加载类，即java -classpath或-D java.class.path 指定路径下的类库，也就是我们经常用到的classpath路径。一般来说，java应用的类都是由它完成。可以由ClassLoader.getSystemLoader()方法获得。父类加载器是Extension ClassLoader。

  • Customize ClassLoader：用户自定义加载器。用于完成用户自身的特有需求。父类加载器为System ClassLoader。

    1. 加载不在CLASSPATH路径的class文件
    2. 加密后的class文件需要用户自定义ClassLoader来解密后才能被JVM识别。
    3. 热部署，同一个class文件通过不同的类加载器产生不同的class对象。两个类完全相同不仅仅要是同一个class文件，还需要同一个类加载器、同一个JVM。

    而代理模式 ，就是像上面图片所展示那样，当要加载一个类时，加载器会寻求其父类的帮助，让父类尝试去加载这个类。只有当父类失败后，才会由自己加载。ClassLoader的loadClass()方法中体现。

    示例代码：

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
      throws ClassNotFoundException
  {
      synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
          Class<?> c = findLoadedClass(name);
          if (c == null) {
              long t0 = System.nanoTime();
              try {
                  if (parent != null) {
                      //如果找不到，则委托给父类加载器去加载
                      c = parent.loadClass(name, false);
                  } else {
                  //如果没有父类，则委托给启动加载器去加载
                      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
                  // 如果都没有找到，则通过自定义实现的findClass去查找并加载
                  c = findClass(name);

              }
          }
          if (resolve) {//是否需要在加载时进行解析
              resolveClass(c);
          }
          return c;
      }
  }

    findClass(String name)的类似实现上面有示例，resolveClass()就是完成解析功能。

    URLClassLoader

    URLClassLoader是常用的ClassLoader类，其实现了findclass()接口，所以如果自定义时继承URLClassLoader可以不用重写findclass()。ExtClassLoader在代理模式中属于Extension ClassLoader，而AppClassLoader属于System ClassLoader。

    线程上下文加载器

    前面我们提到过BootStrap ClassLoader加载的是%JAVA_HOME%/lib下的核心库文件，而CLASSPATH路径下的库由System ClassLoader加载。但在java语言中，存在这种现象，Java 提供了很多服务提供者接口（Service Provider Interface，SPI），允许第三方为这些接口提供实现，如JDBC、JCE、JNDI等。而SPI是Java的核心库文件，由 BootStrap ClassLoader加载，第三方实现是放在CLASSPATH路径下，由System ClassLoader加载。当BootStrap ClassLoader启用时，需要加载其实现，但自己找不到，又因为代理模式的存在，无法委托System ClassLoader来加载，所以无法实现。

    Contex ClassLoader（线程上下文加载器）刚好可以解决这个问题。

    Contex ClassLoader（线程上下文加载器）是从 JDK 1.2 开始引入的。类 java.lang.Thread中的方法 getContextClassLoader()和 setContextClassLoader(ClassLoader cl)用来获取和设置线程的上下文类加载器。如果没有通过 setContextClassLoader(ClassLoader cl)方法进行设置的话，线程将继承其父线程的上下文类加载器。Java 应用运行的初始线程的上下文类加载器是系统类加载器。在线程中运行的代码可以通过此类加载器来加载类和资源。

    例子JDBC：

    public class DriverManager {
	//省略......
    static {
        loadInitialDrivers();
        println("JDBC DriverManager initialized");
    }

 private static void loadInitialDrivers() {
     sun.misc.Providers()
     AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
            public Void run() {
                ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
              //省略不必要的代码......
            }
        });
    }
public class Driver extends com.mysql.cj.jdbc.Driver {
    public Driver() throws SQLException {
        super();
    }

    static {
      //省略
    }
}
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
	 //通过线程上下文类加载器加载
      ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
      return ServiceLoader.load(service, cl);
  }
//调用
String url = "jdbc:mysql://localhost:3342/cm-storylocker?characterEncoding=UTF-8";
// 通过java库获取数据库连接
Connection conn = java.sql.DriverManager.getConnection(url, "root", "password");

    我们可以看到，当我们在使用JDBC的时候，会使用有DriverManager类，它的static代码区引用的ServiceLoader类会完成JDBC实现类的加载。

    如何设计自己的ClassLoader

    给出例子,重写文件系统加载器

    public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader { 
 
   private String rootDir; 
 
   public FileSystemClassLoader(String rootDir) { 
       this.rootDir = rootDir; 
   } 
 
   protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
       //根据规则获取字节流数组
       byte[] classData = getClassData(name); 
       if (classData == null) { 
           throw new ClassNotFoundException(); 
       } 
       else { 
           return defineClass(name, classData, 0, classData.length); 
       } 
   } 
 //设定自己的读取规则
   private byte[] getClassData(String className) { 
       String path = classNameToPath(className); 
       try { 
           InputStream ins = new FileInputStream(path); 
           ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); 
           int bufferSize = 4096; 
           byte[] buffer = new byte[bufferSize]; 
           int bytesNumRead = 0; 
           while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1) { 
               baos.write(buffer, 0, bytesNumRead); 
           } 
           return baos.toByteArray(); 
       } catch (IOException e) { 
           e.printStackTrace(); 
       } 
       return null; 
   } 
 
   private String classNameToPath(String className) { 
       return rootDir + File.separatorChar 
               + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class"; 
   } 
}

    本文学习参考自

    [1] https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-classloader/index.html#minor1.1

    [2] https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/73413292

    [3] https://juejin.im/post/5e1aaf626fb9a0301d11ac8e#heading-8

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