类加载器

类的加载

java文件通过编译器变成了.class文件,接下来类加载器又将这些.class文件加载到JVM中。类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中,将其放在运行时数据区的方法区内,然后在堆区创建一个 java.lang.Class对象,用来封装类在方法区内的数据结构。

每个编写的”.java”拓展名类文件都存储着需要执行的程序逻辑,这些”.java”文件经过Java编译器编译成拓展名为”.class”的文件,”.class”文件中保存着Java代码经转换后的虚拟机指令,当需要使用某个类时,虚拟机将会加载它的”.class”文件,并创建对应的class对象,将class文件加载到虚拟机的内存,这个过程称为类加载,这里我们需要了解一下类加载的过程,如下:

  1. 加载:类加载过程的一个阶段,通过一个类的完全限定查找此类字节码文件,并利用字节码文件创建一个Class对象

  2. 验证:目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求,不会危害虚拟机自身安全。主要包括四种验证,文件格式验证,元数据验证,字节码验证,符号引用验证。

  3. 准备:为类变量(即static修饰的字段变量)分配内存并且设置该类变量的初始值即0(如static int i=5;这里只将i初始化为0,至于5的值将在初始化时赋值),这里不包含用final修饰的static,因为final在编译的时候就会分配了,注意这里不会为实例变量分配初始化,类变量会分配在方法区中,而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。

  4. 解析:主要将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是一组符号来描述目标,可以是任何字面量,而直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。有类或接口的解析,字段解析,类方法解析,接口方法解析(这里涉及到字节码变量的引用,如需更详细了解,可参考《深入Java虚拟机》)。

  5. 初始化:类加载最后阶段,若该类具有超类,则对其进行初始化,执行静态初始化器和静态初始化成员变量(如前面只初始化了默认值的static变量将会在这个阶段赋值,成员变量也将被初始化)。

这便是类加载的5个过程,而类加载器的任务是根据一个类的全限定名来读取此类的二进制字节流到JVM中,然后转换为一个与目标类对应的java.lang.Class对象实例,在虚拟机提供了3种类加载器,引导(Bootstrap)类加载器、扩展(Extension)类加载器、系统(System)类加载器(也称应用类加载器)

类加载器

对于这个时期的 Java 应用,绝大多数 Java 程序都会使用到以下 3 个系统提供的类加载器来进行加载。

启动类加载器(Bootstrap Class Loader):这个类加载器负责加载存放在 JAVA_HOME\lib 目录,或者被 - Xbootclasspath 参数所指定的路径中存放的,而且是 Java 虚拟机能够识别的(按照文件名识别,如 rt.jar、tools.jar,名字不符合的类库即使放在 lib 目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机的内存中。启动类加载器无法被 Java 程序直接引用,用户在编写自定义类加载器时,如果需要把加载请求委派给引导类加载器去处理,那直接使用 null 代替即可。

扩展类加载器(Extension Class Loader):这个类加载器是在类 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 中以 Java 代码的形式实现的。它负责加载 JAVA_HOME\lib\ext 目录中,或者被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径中所有的类库。根据 “扩展类加载器” 这个名称,就可以推断出这是一种 Java 系统类库的扩展机制,JDK 的开发团队允许用户将具有通用性的类库放置在 ext 目录里以扩展 Java SE 的功能,在 JDK 9 之后,这种扩展机制被模块化带来的天然的扩展能力所取代。由于扩展类加载器是由 Java 代码实现的,开发者可以直接在程序中使用扩展类加载器来加载 Class 文件。

应用程序类加载器(Application Class Loader):这个类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 来实现。由于应用程序类加载器是 ClassLoader 类中的 getSystemClassLoader () 方法的返回值,所以有些场合中也称它为 “系统类加载器”。它负责加载用户类路径(ClassPath)上所有的类库,开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器,一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

双亲委派模型

JDK 9 之前的 Java 应用都是由这三种类加载器互相配合来完成加载的,如果用户认为有必要,还可以加入自定义的类加载器来进行拓展,典型的如增加除了磁盘位置之外的 Class 文件来源,或者通过类加载器实现类的隔离、重载等功能。这些类加载器之间的协作关系 “通常” 会如上图所示。图 中展示的各种类加载器之间的层次关系被称为类加载器的 “双亲委派模型(Parents Delegation Model)”。双亲委派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有自己的父类加载器。不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承(Inheritance)的关系来实现的,而是通常使用组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。读者可能注意到前面描述这种类加载器协作关系时,笔者专门用双引号强调这是 “通常” 的协作关系。类加载器的双亲委派模型在 JDK 1.2 时期被引入,并被广泛应用于此后几乎所有的 Java 程序中,但它并不是一个具有强制性约束力的模型,而是 Java 设计者们推荐给开发者的一种类加载器实现的最佳实践。

双亲委派模型的工作过程是:如果一个类加载器收到了类加载的请求,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去完成,每一个层次的类加载器都是如此,因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中,只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需的类)时,子加载器才会尝试自己去完成加载。使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系,一个显而易见的好处就是 Java 中的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,它存放在 rt.jar 之中,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启动类加载器进行加载,因此 Object 类在程序的各种类加载器环境中都能够保证是同一个类。反之,如果没有使用双亲委派模型,都由各个类加载器自行去加载的话,如果用户自己也编写了一个名为 java.lang.Object 的类,并放在程序的 ClassPath 中,那系统中就会出现多个不同的 Object 类,Java 类型体系中最基础的行为也就无从保证,应用程序将会变得一片混乱。双亲委派模型对于保证 Java 程序的稳定运作极为重要,但它的实现却异常简单,用以实现双亲委派的代码只有短短十余行,全部集中在 java.lang.ClassLoader 的 loadClass () 方法之中,如代码清单所示。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            // 首先检查请求的类是否已经被加载过了
            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
                    // 如果父类加载器抛出 ClassNotFoundException 异常
                    // 说明父类加载器无法完成加载请求
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    // 父类加载器无法加载时
                    // 再调用本身的的findClass方法来进行类加载
                    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;
        }
    }

这段代码的逻辑清晰易懂:先检查请求加载的类型是否已经被加载过,若没有则调用父加载器的 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。假如父类加载器加载失败,抛出 ClassNotFoundException 异常的话,才调用自己的 findClass () 方法尝试进行加载。

破坏双亲委派模型

上面提到过双亲委派模型并不是一个具有强制性约束的模型,而是 Java 设计者推荐给开发者们的类加载器实现方式。在 Java 的世界中大部分的类加载器都遵循这个模型,但也有例外的情况,直到 Java 模块化出现为止,双亲委派模型主要出现过 3 次较大规模 “被破坏” 的情况。

双亲委派模型的第一次 “被破坏” 其实发生在双亲委派模型出现之前 —— 即 JDK 1.2 面世以前的 “远古” 时代。由于双亲委派模型在 JDK 1.2 之后才被引入,但是类加载器的概念和抽象类 java.lang.ClassLoader 则在 Java 的第一个版本中就已经存在,面对已经存在的用户自定义类加载器的代码,Java 设计者们引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协,为了兼容这些已有代码,无法再以技术手段避免 loadClass () 被子类覆盖的可能性,只能在 JDK 1.2 之后的 java.lang.ClassLoader 中添加一个新的 protected 方法 findClass (),并引导用户编写的类加载逻辑时尽可能去重写这个方法,而不是在 loadClass () 中编写代码。我们已经分析过 loadClass () 方法,双亲委派的具体逻辑就实现在这里面,按照 loadClass () 方法的逻辑,如果父类加载失败,会自动调用自己的 findClass () 方法来完成加载,这样既不影响用户按照自己的意愿去加载类,又可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的。

双亲委派模型的第二次 “被破坏” 是由这个模型自身的缺陷导致的,双亲委派很好地解决了各个类加载器协作时基础类型的一致性问题(越基础的类由越上层的加载器进行加载),基础类型之所以被称为 “基础”,是因为它们总是作为被用户代码继承、调用的 API 存在,但程序设计往往没有绝对不变的完美规则,如果有基础类型又要调用回用户的代码,那该怎么办呢?这并非是不可能出现的事情,一个典型的例子便是 JNDI 服务,JNDI 现在已经是 Java 的标准服务,它的代码由启动类加载器来完成加载(在 JDK 1.3 时加入到 rt.jar 的),肯定属于 Java 中很基础的类型了。但 JNDI 存在的目的就是对资源进行查找和集中管理,它需要调用由其他厂商实现并部署在应用程序的 ClassPath 下的 JNDI 服务提供者接口(Service Provider Interface,SPI)的代码,现在问题来了,启动类加载器是绝不可能认识、加载这些代码的,那该怎么办?为了解决这个困境,Java 的设计团队只好引入了一个不太优雅的设计:线程上下文类加载器(Thread Context ClassLoader)。这个类加载器可以通过 java.lang.Thread 类的 setContext-ClassLoader () 方法进行设置,如果创建线程时还未设置,它将会从父线程中继承一个,如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话,那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。有了线程上下文类加载器,程序就可以做一些 “舞弊” 的事情了。JNDI 服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需的 SPI 服务代码,这是一种父类加载器去请求子类加载器完成类加载的行为,这种行为实际上是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器,已经违背了双亲委派模型的一般性原则,但也是无可奈何的事情。Java 中涉及 SPI 的加载基本上都采用这种方式来完成,例如 JNDI、JDBC、JCE、JAXB 和 JBI 等。不过,当 SPI 的服务提供者多于一个的时候,代码就只能根据具体提供者的类型来硬编码判断,为了消除这种极不优雅的实现方式,在 JDK 6 时,JDK 提供了 java.util.ServiceLoader 类,以 META-INF/services 中的配置信息,辅以责任链模式,这才算是给 SPI 的加载提供了一种相对合理的解决方案。

双亲委派模型的第三次 “被破坏” 是由于用户对程序动态性的追求而导致的,这里所说的 “动态性” 指的是一些非常 “热” 门的名词:代码热替换(Hot Swap)、模块热部署(Hot Deployment)等。说白了就是希望 Java 应用程序能像我们的电脑外设那样,接上鼠标、U 盘,不用重启机器就能立即使用,鼠标有问题或要升级就换个鼠标,不用关机也不用重启。对于个人电脑来说,重启一次其实没有什么大不了的,但对于一些生产系统来说,关机重启一次可能就要被列为生产事故,这种情况下热部署就对软件开发者,尤其是大型系统或企业级软件开发者具有很大的吸引力。早在 2008 年,在 Java 社区关于模块化规范的第一场战役里,由 Sun/Oracle 公司所提出的 JSR-294 [插图]、JSR-277 [插图] 规范提案就曾败给以 IBM 公司主导的 JSR-291(即 OSGi R4.2)提案。尽管 Sun/Oracle 并不甘心就此失去 Java 模块化的主导权,随即又再拿出 Jigsaw 项目迎战,但此时 OSGi 已经站稳脚跟,成为业界 “事实上” 的 Java 模块化标准 [插图]。曾经在很长一段时间内,IBM 凭借着 OSGi 广泛应用基础让 Jigsaw 吃尽苦头,其影响一直持续到 Jigsaw 随 JDK 9 面世才算告一段落。而且即使 Jigsaw 现在已经是 Java 的标准功能了,它仍需小心翼翼地避开 OSGi 运行期动态热部署上的优势,仅局限于静态地解决模块间封装隔离和访问控制的问题,这部分内容笔者在 7.5 节中会继续讲解,现在我们先来简单看一看 OSGi 是如何通过类加载器实现热部署的。OSGi 实现模块化热部署的关键是它自定义的类加载器机制的实现,每一个程序模块(OSGi 中称为 Bundle)都有一个自己的类加载器,当需要更换一个 Bundle 时,就把 Bundle 连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。在 OSGi 环境下,类加载器不再双亲委派模型推荐的树状结构,而是进一步发展为更加复杂的网状结构,当收到类加载请求时,OSGi 将按照下面的顺序进行类搜索:1)将以 java.* 开头的类,委派给父类加载器加载。2)否则,将委派列表名单内的类,委派给父类加载器加载。3)否则,将 Import 列表中的类,委派给 Export 这个类的 Bundle 的类加载器加载。4)否则,查找当前 Bundle 的 ClassPath,使用自己的类加载器加载。5)否则,查找类是否在自己的 Fragment Bundle 中,如果在,则委派给 Fragment Bundle 的类加载器加载。6)否则,查找 Dynamic Import 列表的 Bundle,委派给对应 Bundle 的类加载器加载。7)否则,类查找失败。上面的查找顺序中只有开头两点仍然符合双亲委派模型的原则,其余的类查找都是在平级的类加载器中进行的,关于 OSGi 的其他内容,笔者就不再展开了。本节中笔者虽然使用了 “被破坏” 这个词来形容上述不符合双亲委派模型原则的行为,但这里 “被破坏” 并不一定是带有贬义的。只要有明确的目的和充分的理由,突破旧有原则无疑是一种创新。正如 OSGi 中的类加载器的设计不符合传统的双亲委派的类加载器架构,且业界对其为了实现热部署而带来的额外的高复杂度还存在不少争议,但对这方面有了解的技术人员基本还是能达成一个共识,认为 OSGi 中对类加载器的运用是值得学习的,完全弄懂了 OSGi 的实现,就算是掌握了类加载器的精粹。

自定义类加载器

自定义ClassLoader

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    //指定路径
    private String path ;

    public MyClassLoader(String classPath){
        path=classPath;
    }

    /**
     * 重写findClass方法
     * @param name 是我们这个类的全路径
     * @return
     * @throws ClassNotFoundException
     */
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        Class cls = null;
        // 获取该class文件字节码数组
        byte[] classData = getData();

        if (classData != null) {
            // 将class的字节码数组转换成Class类的实例
            cls = defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
        return cls;
    }

    /**
     * 将class文件转化为字节码数组
     * @return
     */
    private byte[] getData() {
        File file = new File(path);
        if (file.exists()){
            FileInputStream in = null;
            ByteArrayOutputStream out = null;
            try {
                in = new FileInputStream(file);
                out = new ByteArrayOutputStream();

                byte[] buffer = new byte[1024];
                int size = 0;
                while ((size = in.read(buffer)) != -1) {
                    out.write(buffer, 0, size);
                }

            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                try {
                    in.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            return out.toByteArray();
        }else{
            return null;
        }
    }
}

新建一个类用来测试,使用javac Person.java生成这个类的class文件。Person类不能放在我们自己工程的classpath里面。

public class Person {
    public void hello() {
        System.out.println("hello!!!");
    }
}

测试类

public class ClassLoaderMain {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, InstantiationException, IllegalAccessException, NoSuchMethodException, SecurityException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException, InvocationTargetException {
        //这个类class的路径
        String classPath = "D:\\LZC\\code\\Person.class";
        MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader(classPath);
        //类的全称
        String packageNamePath = "Person";
        //加载Person这个class文件
        Class<?> person = myClassLoader.loadClass(packageNamePath);
        System.out.println("类加载器是:" + person.getClassLoader());
        //利用反射获取hello方法
        Method method = person.getDeclaredMethod("hello");
        Object object = person.newInstance();
        method.invoke(object);
    }
}

控制台打印

类加载器是:jvm.MyClassLoader@4554617c
hello!!!
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