类加载器
加载类的开放性
类加载器(ClassLoader)是Java语言的一项创新,也是Java流行的一个重要原因。在类加载的第一阶段“加载”过程中,需要通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流,完成这个动作的代码块就是类加载器。这一动作是放在Java虚拟机外部去实现的,以便让应用程序自己决定如何获取所需的类。
虚拟机规范并没有指明二进制字节流要从一个Class文件获取,或者说根本没有指明从哪里获取、怎样获取。这种开放使得Java在很多领域得到充分运用,例如:
- 从ZIP包中读取,这很常见,成为JAR,EAR,WAR格式的基础
- 从网络中获取,最典型的应用就是Applet
- 运行时计算生成,最典型的是动态代理技术,在java.lang.reflect.Proxy中,就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流
- 有其他文件生成,最典型的JSP应用,由JSP文件生成对应的Class类
……
类加载器与类的唯一性
类加载器虽然只用于实现类的加载动作,但是对于任意一个类,都需要由加载它的类加载器和这个类本身共同确立其在Java虚拟机中的唯一性。通俗的说,JVM中两个类是否“相等”,首先就必须是同一个类加载器加载的,否则,即使这两个类来源于同一个Class文件,被同一个虚拟机加载,只要类加载器不同,那么这两个类必定是不相等的。
这里的“相等”,包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果,也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。
以下代码说明了不同的类加载器对instanceof关键字运算的结果的影响。
package com.jvm.classloading;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
/**
* 类加载器在类相等判断中的影响
*
* instanceof关键字
*
*/
public class ClassLoaderTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 自定义类加载器
ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
@Override
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
if (is == null) {
return super.loadClass(fileName);
}
byte[] b = new byte[is.available()];
is.read(b);
return defineClass(name, b, 0, b.length);
} catch (IOException e) {
throw new ClassNotFoundException();
}
}
};
// 使用ClassLoaderTest的类加载器加载本类
Object obj1 = ClassLoaderTest.class.getClassLoader().loadClass("com.jvm.classloading.ClassLoaderTest").newInstance();
System.out.println(obj1.getClass());
System.out.println(obj1 instanceof com.jvm.classloading.ClassLoaderTest);
// 使用自定义类加载器加载本类
Object obj2 = myLoader.loadClass("com.jvm.classloading.ClassLoaderTest").newInstance();
System.out.println(obj2.getClass());
System.out.println(obj2 instanceof com.jvm.classloading.ClassLoaderTest);
}
}
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输出结果:
class com.jvm.classloading.ClassLoaderTest
true
class com.jvm.classloading.ClassLoaderTest
false
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- 4
myLoader是自定义的类加载器,可以用来加载与自己在同一路径下的Class文件。main函数的第一部分使用系统加载主类ClassLoaderTest的类加载器加载ClassLoaderTest,输出显示,obj1的所属类型检查正确,这是虚拟机中有2个ClassLoaderTest类,一个是主类,另一个是main()方法中加载的类,由于这两个类使用同一个类加载器加载并且来源于同一个Class文件,因此这两个类是完全相同的。
第二部分使用自定义的类加载器加载ClassLoaderTest,class com.jvm.classloading.ClassLoderTest
显示,obj2确实是类com.jvm.classloading.ClassLoaderTest
实例化出来的对象,但是第二句输出false。此时虚拟机中有3个ClassLoaderTest类,由于第3个类的类加载器与前面2个类加载器不同,虽然来源于同一个Class文件,但它是一个独立的类,所属类型检查是返回结果自然是false。
双亲委派模型
类加载器种类
从Java虚拟机的角度来说,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),这个类加载器使用C++语言实现(HotSpot虚拟机中),是虚拟机自身的一部分;另一种就是所有其他的类加载器,这些类加载器都有Java语言实现,独立于虚拟机外部,并且全部继承自java.lang.ClassLoader。
从开发者的角度,类加载器可以细分为:
启动(Bootstrap)类加载器:负责将 Java_Home/lib下面的类库加载到内存中(比如rt.jar)。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节,开发者无法直接获取到启动类加载器的引用,所以不允许直接通过引用进行操作。
扫描二维码关注公众号,回复: 2158856 查看本文章标准扩展(Extension)类加载器:是由 Sun 的 ExtClassLoader(sun.misc.Launcher$ExtClassLoader)实现的。它负责将Java_Home /lib/ext或者由系统变量 java.ext.dir指定位置中的类库加载到内存中。开发者可以直接使用标准扩展类加载器。
应用程序(Application)类加载器:是由 Sun 的 AppClassLoader(sun.misc.Launcher$AppClassLoader)实现的。它负责将系统类路径(CLASSPATH)中指定的类库加载到内存中。开发者可以直接使用系统类加载器。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值,因此一般称为系统(System)加载器。
除此之外,还有自定义的类加载器,它们之间的层次关系被称为类加载器的双亲委派模型。该模型要求除了顶层的启动类加载器外,其余的类加载器都应该有自己的父类加载器,而这种父子关系一般通过组合(Composition)关系来实现,而不是通过继承(Inheritance)。
双亲委派模型
双亲委派模型过程
某个特定的类加载器在接到加载类的请求时,首先将加载任务委托给父类加载器,依次递归,如果父类加载器可以完成类加载任务,就成功返回;只有父类加载器无法完成此加载任务时,才自己去加载。
使用双亲委派模型的好处在于Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object,它存在在rt.jar中,无论哪一个类加载器要加载这个类,最终都是委派给处于模型最顶端的Bootstrap ClassLoader进行加载,因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反,如果没有双亲委派模型而是由各个类加载器自行加载的话,如果用户编写了一个java.lang.Object的同名类并放在ClassPath中,那系统中将会出现多个不同的Object类,程序将混乱。因此,如果开发者尝试编写一个与rt.jar类库中重名的Java类,可以正常编译,但是永远无法被加载运行。
双亲委派模型的系统实现
在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中,先检查是否已经被加载过,若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法,若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父加载失败,则抛出ClassNotFoundException异常后,再调用自己的findClass()方法进行加载。
protected synchronized Class<?> loadClass(String name,boolean resolve)throws ClassNotFoundException{
//check the class has been loaded or not
Class c = findLoadedClass(name);
if(c == null){
try{
if(parent != null){
c = parent.loadClass(name,false);
}else{
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
}catch(ClassNotFoundException e){
//if throws the exception ,the father can not complete the load
}
if(c == null){
c = findClass(name);
}
}
if(resolve){
resolveClass(c);
}
return c;
}
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注意,双亲委派模型是Java设计者推荐给开发者的类加载器的实现方式,并不是强制规定的。大多数的类加载器都遵循这个模型,但是JDK中也有较大规模破坏双亲模型的情况,例如线程上下文类加载器(Thread Context ClassLoader)的出现,具体分析可以参见周志明著《深入理解Java虚拟机》。
其实,双亲委派模型并不复杂。自定义类加载器也不难!随便从网上搜一下就能搜出一大把结果,然后copy
一下就能用。但是,如果每次想自定义类加载器就必须搜一遍别人的文章,然后复制,这样显然不行。可是自定义类加载器又不经常用,时间久了容易忘记。相信你经常会记不太清loadClass
、findClass
、defineClass
这些函数我到底应该重写哪一个?它们主要是做什么的?本文大致分析了各个函数的流程,目的就是让你看完之后,难以忘记!或者说,延长你对自定义类加载器的记忆时间!随时随地想自定义就自定义!
1. 双亲委派模型
关于双亲委派模型,网上的资料有很多。我这里只简单的描述一下,就当是复习。
1.1 什么是双亲委派模型?
首先,先要知道什么是类加载器。简单说,类加载器就是根据指定全限定名称将class
文件加载到JVM
内存,转为Class
对象。如果站在JVM
的角度来看,只存在两种类加载器:
启动类加载器(
Bootstrap ClassLoader
):由C++
语言实现(针对HotSpot
),负责将存放在<JAVA_HOME>\lib
目录或-Xbootclasspath
参数指定的路径中的类库加载到内存中。其他类加载器:由
Java
语言实现,继承自抽象类ClassLoader
。如:
- 扩展类加载器(
Extension ClassLoader
):负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext
目录或java.ext.dirs
系统变量指定的路径中的所有类库。- 应用程序类加载器(
Application ClassLoader
)。负责加载用户类路径(classpath
)上的指定类库,我们可以直接使用这个类加载器。一般情况,如果我们没有自定义类加载器默认就是用这个加载器。
双亲委派模型工作过程是:如果一个类加载器收到类加载的请求,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把这个请求委派给父类加载器完成。每个类加载器都是如此,只有当父加载器在自己的搜索范围内找不到指定的类时(即ClassNotFoundException
),子加载器才会尝试自己去加载。
1.2 为什么需要双亲委派模型?
为什么需要双亲委派模型呢?假设没有双亲委派模型,试想一个场景:
黑客自定义一个
java.lang.String
类,该String
类具有系统的String
类一样的功能,只是在某个函数稍作修改。比如equals
函数,这个函数经常使用,如果在这这个函数中,黑客加入一些“病毒代码”。并且通过自定义类加载器加入到JVM
中。此时,如果没有双亲委派模型,那么JVM
就可能误以为黑客自定义的java.lang.String
类是系统的String
类,导致“病毒代码”被执行。
而有了双亲委派模型,黑客自定义的java.lang.String
类永远都不会被加载进内存。因为首先是最顶端的类加载器加载系统的java.lang.String
类,最终自定义的类加载器无法加载java.lang.String
类。
或许你会想,我在自定义的类加载器里面强制加载自定义的java.lang.String
类,不去通过调用父加载器不就好了吗?确实,这样是可行。但是,在JVM
中,判断一个对象是否是某个类型时,如果该对象的实际类型与待比较的类型的类加载器不同,那么会返回false。
举个简单例子:
ClassLoader1
、ClassLoader2
都加载java.lang.String
类,对应Class1、Class2对象。那么Class1
对象不属于ClassLoad2
对象加载的java.lang.String
类型。
1.3 如何实现双亲委派模型?
双亲委派模型的原理很简单,实现也简单。每次通过先委托父类加载器加载,当父类加载器无法加载时,再自己加载。其实ClassLoader
类默认的loadClass
方法已经帮我们写好了,我们无需去写。
2. 自定义类加载器
2. 1几个重要函数
2.1.1 loadClass
loadClass
默认实现如下:
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException { return loadClass(name, false); }
再看看loadClass(String name, boolean resolve)
函数:
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; } }
从上面代码可以明显看出,loadClass(String, boolean)
函数即实现了双亲委派模型!整个大致过程如下:
- 首先,检查一下指定名称的类是否已经加载过,如果加载过了,就不需要再加载,直接返回。
- 如果此类没有加载过,那么,再判断一下是否有父加载器;如果有父加载器,则由父加载器加载(即调用
parent.loadClass(name, false);
).或者是调用bootstrap
类加载器来加载。- 如果父加载器及
bootstrap
类加载器都没有找到指定的类,那么调用当前类加载器的findClass
方法来完成类加载。
话句话说,如果自定义类加载器,就必须重写findClass
方法!
2.1.1 find Class
findClass
的默认实现如下:
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { throw new ClassNotFoundException(name); }
可以看出,抽象类ClassLoader
的findClass
函数默认是抛出异常的。而前面我们知道,loadClass
在父加载器无法加载类的时候,就会调用我们自定义的类加载器中的findeClass
函数,因此我们必须要在loadClass
这个函数里面实现将一个指定类名称转换为Class
对象.
如果是是读取一个指定的名称的类为字节数组的话,这很好办。但是如何将字节数组转为Class
对象呢?很简单,Java
提供了defineClass
方法,通过这个方法,就可以把一个字节数组转为Class对象啦~
2.1.1 defineClass
defineClass
主要的功能是:
将一个字节数组转为
Class
对象,这个字节数组是class
文件读取后最终的字节数组。如,假设class
文件是加密过的,则需要解密后作为形参传入defineClass
函数。
defineClass
默认实现如下:
protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) throws ClassFormatError { return defineClass(name, b, off, len, null); }
2.2 函数调用过程
上一节所提的函数调用过程如下:
2.3 简单示例
首先,我们定义一个待加载的普通Java
类:Test.java
。放在com.huachao.cl
包下:
package com.huachao.cl; public class Test { public void hello() { System.out.println("恩,是的,我是由 " + getClass().getClassLoader().getClass() + " 加载进来的"); } }
注意:
如果你是直接在当前项目里面创建,待
Test.java
编译后,请把Test.class
文件拷贝走,再将Test.java
删除。因为如果Test.class
存放在当前项目中,根据双亲委派模型可知,会通过sun.misc.Launcher$AppClassLoader
类加载器加载。为了让我们自定义的类加载器加载,我们把Test.class文件放入到其他目录。
在本例中,我们Test.class文件存放的目录如下:
接下来就是自定义我们的类加载器:
import java.io.FileInputStream; import java.lang.reflect.Method; public class Main { static class MyClassLoader extends ClassLoader { private String classPath; public MyClassLoader(String classPath) { this.classPath = classPath; } private byte[] loadByte(String name) throws Exception { name = name.replaceAll("\\.", "/"); FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name + ".class"); int len = fis.available(); byte[] data = new byte[len]; fis.read(data); fis.close(); return data; } protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { try { byte[] data = loadByte(name); return defineClass(name, data, 0, data.length); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); throw new ClassNotFoundException(); } } }; public static void main(String args[]) throws Exception { MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test"); Class clazz = classLoader.loadClass("com.huachao.cl.Test"); Object obj = clazz.newInstance(); Method helloMethod = clazz.getDeclaredMethod("hello", null); helloMethod.invoke(obj, null); } }
最后运行结果如下:
恩,是的,我是由 class Main$MyClassLoader 加载进来的