Java ClassLoader (Java類加載器)初探

編者按

???????? 筆者最近在為WebSphere中的項目引入第三方j(luò)ar的過程中遇到一些阻礙。雖然根據(jù)網(wǎng)上的資料解決了問題，但忽然覺得對Java類加載器的認(rèn)識知之甚少，只停留在和反射的配合使用上，遂決定一探究竟。于是有了這篇文章，即備日后查詢又可饗讀者。水平有限，如有紕漏還望大神不吝賜教。

目錄

一、 之乎者也：什么是 Class Loader ？
二、 格物致知：驗證 Class Loader 的加載方式
三、 切磋琢磨：一個簡單的自定義 Class Loader
四、 他山之石：其他框架中的自定義 Class Loader（未完待續(xù)）
五、 別有洞天：關(guān)于Class Loader的相關(guān)拓展（未完待續(xù)）

一、 之乎者也：什么是 Class Loader ？

1. 簡明定義與說明

  • ????作為Java運(yùn)行時環(huán)境的一部分，Java類加載器動態(tài)地加載Java類到Java虛擬機(jī)中。在Java中，庫通常被打包在Jar文件中。庫中可以包含不同種類的對象， 而在Jar文件中最重要的一種對象類型就是Java類文件（Java class），類文件可以視為一段被命名的代碼。類加載器負(fù)責(zé)定位庫，讀取其中的內(nèi)容并加載庫中的類。加載過程一般是按需進(jìn)行地， 即只有類被調(diào)用時加載過程才會發(fā)生。一個被命名的類只能由指定的類加載器加載一次。每一個類又必須由一個類加載器所加載。

2. Java虛擬機(jī)啟動時使用的Class Loader

序號 類型 查找范圍
1 Bootstrap class loader %JAVA_HOME%/jre/lib
%JAVA_HOME%/jre/classes
-Xbootclasspath1
2 Extensions class loader %JAVA_HOME%/jre/lib/ext
java.ext.dirs
3 System class loader CLASSPATH
-classpath
Mainfest

3. 雙親委托

圖1-1 使用雙親委托機(jī)制的類加載方式.PNG

  1. 當(dāng)前Class Loader首先從自己已經(jīng)加載的類中查詢是否此類已經(jīng)加載，如果已經(jīng)加載則直接返回原來已經(jīng)加載的類。每個類加載器都有自己的加載緩存，當(dāng)一個類被加載了以后就會放入緩存，等下次加載的時候就可以直接返回了。

  2. 當(dāng)前Class Loader的緩存中沒有找到被加載的類的時候，委托父類加載器去加載，父類加載器采用同樣的策略，首先查看自己的緩存，然后委托父類的父類去加載，直到bootstrap Class Loader。

  3. 當(dāng)所有的父類加載器都沒有加載的時候，再由當(dāng)前的類加載器加載，并將其放入它自己的緩存中，以便下次有加載請求的時候直接返回。

  4. 通過自定義Class Loader（具體指重載loadClass方法），Java推薦的雙親委托機(jī)制可以被打破。

二、 格物致知：驗證 Class Loader 的加載方式

驗證上述三個Class Loader的存在并建立對雙親委托機(jī)制的初步認(rèn)識

1. 準(zhǔn)備工作

2.1.1 試驗代碼
//D:/ClassLoaderTest.java
// 如果在IDE中編輯，可能會提示IntMath找不到，無視
import com.google.common.math.IntMath;

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        logClassLoader( IntMath.class);
    }
    public static <T> void logClassLoader(Class<T> tClass) {
        System.out.println(
            String.format(
                "打印類 %s 的類加載器鏈：", tClass.getCanonicalName()));
        ClassLoader classLoader = tClass.getClassLoader();
        while (classLoader!=null) {
            System.out.println(
                String.format(
                    "類加載器鏈：%s", classLoader.toString()));
            classLoader = classLoader.getParent();
        }
        System.out.println( "類加載器鏈: Bootstrap class loader");
    }
}
2.1.2 第三方Jar包位置
D:\repo\com\google\guava\guava\11.0.2\guava-11.0.2.jar
2.1.3 編譯
javac -classpath ./;D:\repo\com\google\guava\guava\11.0.2\guava-11.0.2.jar 
-encoding utf-8 .\ClassLoaderTest.java

2. 運(yùn)行結(jié)果

????????這里直接使用Java命令的參數(shù)來控制類加載器的搜索路徑， 也可以通過其他方法指定， 詳見 附 中 2. 通過其他方式指定類加載器的搜索路徑 一節(jié)

圖2-1 ClassLoader測試一.PNG

圖2-2 ClassLoader測試二.PNG

三、 切磋琢磨：一個簡單的自定義 Class Loader

1. 準(zhǔn)備知識

關(guān)鍵方法 描述
loadClass:(name:String, resolve:boolean)=>Class<?> 用資源名稱加載Class
findClass:(name:String)=>Class<?> 用資源名稱查找Class
defineClass:(name:String, b:byte[], off:int, len:int)=>Class<?> 轉(zhuǎn)換字節(jié)數(shù)組到一個Class的實例
  • 實施步驟
    • 繼承ClassLoader
    • 如果要修改雙親委托的代理方式，重寫loadClass方法
    • 重寫findClass方法

2. 準(zhǔn)備工作

3.2.1 試驗代碼
//D:/Main.java
import java.lang.reflect.Method;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        CustomerClassLoader customerClassLoader = new CustomerClassLoader( 
                Main.class.getClassLoader(), 
                "D:/CustomerClassLoaderRepo" );
        Class<?> clazz = customerClassLoader.loadClass( "HelloWorld");
        Object object = clazz.getConstructor(new Class[]{}).newInstance();
        Method method = clazz.getMethod("sayHello", String.class);
        method.invoke( object, "tom");
        logClassLoaders(clazz);
    }
    public static  <T> void logClassLoaders( Class<T> tClass) {
        System.out.println( String.format( 
                "打印類 %s 的類加載器鏈:", tClass.getCanonicalName()));
        ClassLoader classLoader = tClass.getClassLoader();
        while ( classLoader != null) {
            System.out.println( String.format( 
                    "類加載器鏈：%s", classLoader.toString()));
            classLoader = classLoader.getParent();
        }
        System.out.println( "類加載器鏈: Bootstrap class loader");
    }
}

//D:/CustomerClassLoader.java
import java.io.IOException;
import java.net.URI;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;

public class CustomerClassLoader extends ClassLoader {
    private String url_prefix;
    public CustomerClassLoader(ClassLoader parent, String url_prefix) {
        super(parent);
        this.url_prefix = "file:///" + url_prefix;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) 
            throws ClassNotFoundException {
        byte[] bytes = loadClassData(url_prefix + "/" + name + ".class");
        return super.defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
    }

    private byte[] loadClassData(String name) 
            throws ClassNotFoundException {
        return loadClassDate(Paths.get(URI.create(name)));
    }
    private byte[] loadClassDate(Path path) 
            throws ClassNotFoundException {
        if (    path!=null &&
                path.isAbsolute() &&
                Files.exists( path) &&
                Files.isRegularFile( path)) {
            try {
                return Files.readAllBytes( path);
            } catch ( IOException e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException("文件讀取錯誤");
            }
        } else {
            throw new ClassNotFoundException("文件地址不符合規(guī)則");
        }
    }
}

//D:/HelloWorld.java
public class HelloWorld {
    public void sayHello( String name) {
        System.out.println( "Hello World, I'm " + name);
    }
}
3.2.2 文件位置
- D:
  - \CustomerClassLoaderRepo
    - HelloWorld.java
    - HelloWorld.class
  - Main.java
  - Main.class
  - CustomerClassLoader.java
  - CustomerClassLoader.class

3. 運(yùn)行結(jié)果

圖3-1 自定義ClassLoader測試.PNG

4. 使用URLClassLoader

3.4.1 試驗代碼

以上只是筆者在學(xué)（發(fā)）習(xí)（呆）， 實際工作中我們可以使用諸多ClassLoader的子類來提升開發(fā)效率。如下是使用URLClassLoader來實現(xiàn)相同的功能。

圖3-2 URLClassLoader的繼承關(guān)系.PNG
//D:/Main.java
import java.lang.reflect.Method;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //CustomerClassLoader customerClassLoader = new CustomerClassLoader( 
        //        Main.class.getClassLoader(), 
        //        "D:/CustomerClassLoaderRepo" );
        //Class<?> clazz = customerClassLoader.loadClass( "HelloWorld");
        URL url = new URL("file:///D:CustomerClassLoaderRepo/");
        URLClassLoader urlClassLoader = new URLClassLoader(
            new URL[]{url} , Main.class.getClassLoader());
        Class<?> clazz = urlClassLoader.loadClass( "HelloWorld");
        Object object = clazz.getConstructor(new Class[]{}).newInstance();
        Method method = clazz.getMethod("sayHello", String.class);
        method.invoke( object, "tom");
        logClassLoaders(clazz);
        urlClassLoader.close(); //釋放資源
    }
    public static  <T> void logClassLoaders( Class<T> tClass) {
        System.out.println( String.format( 
                "打印類 %s 的類加載器鏈:", tClass.getCanonicalName()));
        ClassLoader classLoader = tClass.getClassLoader();
        while ( classLoader != null) {
            System.out.println( String.format( 
                    "類加載器鏈：%s", classLoader.toString()));
            classLoader = classLoader.getParent();
        }
        System.out.println( "類加載器鏈: Bootstrap class loader");
    }
}
3.4.2 文件位置
  • 同 3.3.2
3.4.3 運(yùn)行結(jié)果
圖3-3 URLClassLoader測試.PNG

四、 他山之石：其他框架中的自定義 Class Loader（未完待續(xù)）

1. Spring Boot 中的 Class Loader

2. Tomcat 中的 Class Loader

3. WebSphere 中的 Class Loader

五、 別有洞天：關(guān)于Class Loader的相關(guān)拓展（未完待續(xù)）

1. Class Loader與熱部署

2. 自定義加載方式

3. 多線程下的Class Loader

結(jié)語

引用

  1. Java Classloader（Wiki）
  2. Java8 API
  3. the Parent-Delegation Model

附

1. -Xbootclasspath 命令詳解（未完待續(xù)）

2. 通過其他方式指定類加載器的搜索路徑（未完待續(xù)）

3. jdk已有的其他ClassLoader實現(xiàn)（未完待續(xù)）

4. 與Class Loader有關(guān)的異常（未完待續(xù)）

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