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JAVA学习之ClassLoader

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。

JAVA学习之ClassLoader

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:

JAVA学习之ClassLoader

  • 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-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。

    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

    JAVA学习之ClassLoader

    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"; 
       } 
    }

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