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Java基礎(chǔ)-類(lèi)加載器以及加載機(jī)制

stefan / 3382人閱讀

摘要：以上文中的類(lèi)的加載過(guò)程為例，它的加載器為系統(tǒng)類(lèi)加載器。自定義加載器編寫(xiě)自定義加載器并不困難，只要繼承抽象類(lèi)并覆蓋方法就行了。源碼來(lái)自參考資料類(lèi)加載機(jī)制與類(lèi)加載器架構(gòu)深入探討類(lèi)加載器

序

我是在關(guān)于Java的面試題里了解到類(lèi)加載器的，在這之前從未想過(guò)Java里類(lèi)是如何被加載、解析的，一直以為只要Import就好了。事實(shí)上Java類(lèi)加載器是一塊非常重要的內(nèi)容，可以用在類(lèi)層次劃分、OSGi、熱部署、代碼加密等領(lǐng)域。即使業(yè)務(wù)上可能沒(méi)有涉及到，了解相關(guān)知識(shí)對(duì)排除BUG也是有幫助的。

類(lèi)加載器基本概念

平時(shí)在編寫(xiě)代碼時(shí)，想使用什么類(lèi)就Import就好了，好像這些類(lèi)一開(kāi)始就在JVM里了一樣，現(xiàn)在我們知道這是因?yàn)?b>JVM自動(dòng)為我們加載了這些類(lèi)。顧名思義，類(lèi)加載器的工作主要是加載Java字節(jié)碼文件（也就是.class文件）到虛擬機(jī)里，并解析為java.lang.Class類(lèi)的一個(gè)實(shí)例。到這里，被加載的類(lèi)還是不能像平時(shí)一樣直接new一個(gè)對(duì)象出來(lái)的。因?yàn)橐粋€(gè)類(lèi)總共要經(jīng)歷加載、驗(yàn)證、解析、初始化等4個(gè)步驟后才是Java里的一個(gè)類(lèi)型。后面幾個(gè)步驟不是本文重點(diǎn)，大家可以自行學(xué)習(xí)。

類(lèi)加載器的組成

類(lèi)加載器一共有4種，分別是引導(dǎo)類(lèi)加載器（bootstrap class loader）、擴(kuò)展類(lèi)加載器（extensions class loader）、系統(tǒng)類(lèi)加載器（system class loader）、自定義加載器，它們之間的加載關(guān)系如下圖所示：

其中，除了引導(dǎo)類(lèi)加載器是用原生代碼實(shí)現(xiàn)，其余的加載器都是繼承自抽象類(lèi)java.lang.ClassLoader。而且系統(tǒng)自帶的3個(gè)加載器都有自己的特殊之處。

引導(dǎo)類(lèi)加載器

引導(dǎo)類(lèi)加載器是用來(lái)加載Java的核心庫(kù)，像是java.lang包等這些Java應(yīng)用必備的類(lèi)都是引導(dǎo)類(lèi)加載器加載的。加載路徑是＜JAVA_HOME＞lib目錄中的或者是-Xbootclasspath參數(shù)所指定的目錄中，被JVM所識(shí)別的文件（通過(guò)名字識(shí)別，名字必須是rt.jar）。因?yàn)橐龑?dǎo)類(lèi)加載器是用原生代碼實(shí)現(xiàn)的，所以不能在Java代碼中直接引用到引導(dǎo)類(lèi)加載器。

擴(kuò)展類(lèi)加載器

顧名思義，擴(kuò)展類(lèi)加載器是用來(lái)加載Java的擴(kuò)展類(lèi)庫(kù)。加載路徑是＜JAVA_HOME＞libext目錄中的或者是java.ext.dirs系統(tǒng)變量所指定的路徑中的所有類(lèi)庫(kù)。

系統(tǒng)類(lèi)加載器

系統(tǒng)類(lèi)加載器的加載路徑是Java應(yīng)用的類(lèi)路徑（CLASSPATH），也就是說(shuō)在沒(méi)有自定義加載器的情況下，Java應(yīng)用的類(lèi)都是由系統(tǒng)類(lèi)加載器加載的。而且該加載器可以用ClassLoader類(lèi)的getSystemClassLoader()方法直接獲取到。

除了引導(dǎo)類(lèi)加載器，每個(gè)加載器都有一個(gè)父加載器。比如加載器A加載了加載器B，那么加載器A就是加載器B的父加載器，可以通過(guò)java.lang.ClassLoader的getParent()方法獲取父加載器，而且Java中每個(gè)Class對(duì)象都維護(hù)著一個(gè)加載器引用，可以通過(guò)getClassLoader()方法獲取加載該類(lèi)的加載器。

例如下面這段代碼：

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader loader = Main.class.getClassLoader();
        while (loader != null) {
            System.out.println(loader.toString());
            loader = loader.getParent();
        }
    }

}

這里輸出了Main類(lèi)的加載器與其所有的父加載器，運(yùn)行結(jié)果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d

Process finished with exit code 0

我們看到Main類(lèi)的加載器是系統(tǒng)類(lèi)加載器，它的父加載器是擴(kuò)展類(lèi)加載器。擴(kuò)展類(lèi)加載器的父加載器應(yīng)該是引導(dǎo)類(lèi)加載器才對(duì)，這里沒(méi)有輸出是因?yàn)橛行?b>JDK的實(shí)現(xiàn)里在父加載器為引導(dǎo)類(lèi)加載器的情況下是返回null的。

雙親委托模式

第一次看到雙親委托模式這個(gè)詞的時(shí)候就感覺(jué)意義不明，完全不知道是什么意思。在了解了加載器的加載過(guò)程之后，才發(fā)現(xiàn)是一種代理模式。

以上文中的Main類(lèi)的加載過(guò)程為例，它的加載器為系統(tǒng)類(lèi)加載器。但是系統(tǒng)類(lèi)加載器不會(huì)直接去加載這個(gè)類(lèi)，而是先委托給它的父加載器，也就是擴(kuò)展類(lèi)加載器。同樣，擴(kuò)展類(lèi)加載器也會(huì)先委托給它的父加載器，一直委托到引導(dǎo)類(lèi)加載器才開(kāi)始真正的嘗試加載，如果加載失敗就返回由發(fā)出委托的加載器嘗試加載。

這樣做的目的是為了保護(hù)Java核心庫(kù)和保持類(lèi)型安全。因?yàn)樵?b>JVM中判斷兩個(gè)類(lèi)是否相同，不僅僅是看它們的全名是否相同，還要判斷它們的加載器是否相同。通過(guò)雙親委托模式就能保證每次加載核心庫(kù)的加載器都是引導(dǎo)類(lèi)加載器，從而防止出現(xiàn)類(lèi)似于多個(gè)java.lang.Object類(lèi)型這種情況。

自定義加載器

編寫(xiě)自定義加載器并不困難，只要繼承抽象類(lèi)java.lang.ClassLoader并覆蓋findClass(String name)方法就行了。不建議覆蓋 loadClass(String name)方法，因?yàn)檫@個(gè)方法里面封裝了前面提到的雙親委托模式，覆蓋可能會(huì)導(dǎo)致該模式失效。

// 源碼來(lái)自 https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-classloader
public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader { 
 
   private String rootDir; 
 
   public FileSystemClassLoader(String rootDir) { 
       this.rootDir = rootDir; 
   } 
 
   protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
       byte[] classData = getClassData(name); 
       if (classData == null) { 
           throw new ClassNotFoundException(); 
       } 
       else { 
           return defineClass(name, classData, 0, classData.length); 
       } 
   } 
 
   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"; 
   } 
}
參考資料

Java類(lèi)加載機(jī)制與Tomcat類(lèi)加載器架構(gòu)

深入探討 Java 類(lèi)加載器

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