一、JVM中的類加載器類型
從Java虛擬機(jī)的角度講，只有兩種不同的類加載器：啟動(dòng)類加載器和其他類加載器。
1.啟動(dòng)類加載器(Boostrap ClassLoader)：這個(gè)是由c++實(shí)現(xiàn)的，主要負(fù)責(zé)JAVA_HOME/lib目錄下的核心 api 或 -Xbootclasspath 選項(xiàng)指定的jar包裝入工作。
2.其他類加載器：由java實(shí)現(xiàn)，可以在方法區(qū)找到其Class對象。這里又細(xì)分為幾個(gè)加載器
a).擴(kuò)展類加載器（Extension ClassLoader）：負(fù)責(zé)用于加載JAVA_HOME/lib/ext目錄中的，或者被-Djava.ext.dirs系統(tǒng)變量指定所指定的路徑中所有類庫(jar)，開發(fā)者可以直接使用擴(kuò)展類加載器。java.ext.dirs系統(tǒng)變量所指定的路徑的可以通過System.getProperty("java.ext.dirs")來查看。
b).應(yīng)用程序類加載器（Application ClassLoader）：負(fù)責(zé)java -classpath或-Djava.class.path所指的目錄下的類與jar包裝入工作。開發(fā)者可以直接使用這個(gè)類加載器。在沒有指定自定義類加載器的情況下，這就是程序的默認(rèn)加載器。
c).自定義類加載器（User ClassLoader）：在程序運(yùn)行期間, 通過java.lang.ClassLoader的子類動(dòng)態(tài)加載class文件, 體現(xiàn)java動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)類裝入特性。
這四個(gè)類加載器的層級(jí)關(guān)系，如下圖所示。
二、為什么要自定義類加載器
- 區(qū)分同名的類：假定在tomcat 應(yīng)用服務(wù)器，上面部署著許多獨(dú)立的應(yīng)用，同時(shí)他們擁有許多同名卻不同版本的類。要區(qū)分不同版本的類當(dāng)然是需要每個(gè)應(yīng)用都擁有自己獨(dú)立的類加載器了，否則無法區(qū)分使用的具體是哪一個(gè)。
- 類庫共享：每個(gè)web應(yīng)用在tomcat中都可以使用自己版本的jar。但存在如Servlet-api.jar，java原生的包和自定義添加的Java類庫可以相互共享。
- 加強(qiáng)類：類加載器可以在 loadClass 時(shí)對 class 進(jìn)行重寫和覆蓋，在此期間就可以對類進(jìn)行功能性的增強(qiáng)。比如使用javassist對class進(jìn)行功能添加和修改，或者添加面向切面編程時(shí)用到的動(dòng)態(tài)代理，以及 debug 等原理。
- 熱替換：在應(yīng)用正在運(yùn)行的時(shí)候升級(jí)軟件，不需要重新啟動(dòng)應(yīng)用。比如toccat服務(wù)器中JSP更新替換。
三、自定義類加載器
3.1 ClassLoader實(shí)現(xiàn)自定義類加載器相關(guān)方法說明
要實(shí)現(xiàn)自定義類加載器需要先繼承ClassLoader，ClassLoader類是一個(gè)抽象類，負(fù)責(zé)加載classes的對象。自定義ClassLoader中至少需要了解其中的三個(gè)的方法： loadClass,findClass,defineClass。
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
return loadClass(name, false);
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
throws ClassFormatError
{
return defineClass(name, b, off, len, null);
}
...
loadClass：JVM在加載類的時(shí)候，都是通過ClassLoader的loadClass()方法來加載class的，loadClass使用雙親委派模式。如果要改變雙親委派模式，可以修改loadClass來改變class的加載方式。雙親委派模式這里就不贅述了。
findClass：ClassLoader通過findClass()方法來加載類。自定義類加載器實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法來加載需要的類，比如指定路徑下的文件，字節(jié)流等。
definedClass：definedClass在findClass中使用，通過調(diào)用傳進(jìn)去一個(gè)Class文件的字節(jié)數(shù)組，就可以方法區(qū)生成一個(gè)Class對象，也就是findClass實(shí)現(xiàn)了類加載的功能了。
貼上一段ClassLoader中l(wèi)oadClass源碼，見見真面目...
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;
}
}
源碼說明...
/**
* Loads the class with the specified <a href="#name">binary name</a>. The
* default implementation of this method searches for classes in the
* following order:
*
* <ol>
*
* <li><p> Invoke {@link #findLoadedClass(String)} to check if the class
* has already been loaded. </p></li>
*
* <li><p> Invoke the {@link #loadClass(String) <tt>loadClass</tt>} method
* on the parent class loader. If the parent is <tt>null</tt> the class
* loader built-in to the virtual machine is used, instead. </p></li>
*
* <li><p> Invoke the {@link #findClass(String)} method to find the
* class. </p></li>
*
* </ol>
*
* <p> If the class was found using the above steps, and the
* <tt>resolve</tt> flag is true, this method will then invoke the {@link
* #resolveClass(Class)} method on the resulting <tt>Class</tt> object.
*
* <p> Subclasses of <tt>ClassLoader</tt> are encouraged to override {@link
* #findClass(String)}, rather than this method. </p>
*
* <p> Unless overridden, this method synchronizes on the result of
* {@link #getClassLoadingLock <tt>getClassLoadingLock</tt>} method
* during the entire class loading process.
*
* @param name
* The <a href="#name">binary name</a> of the class
*
* @param resolve
* If <tt>true</tt> then resolve the class
*
* @return The resulting <tt>Class</tt> object
*
* @throws ClassNotFoundException
* If the class could not be found
*/
翻譯過來大概是：使用指定的二進(jìn)制名稱來加載類，這個(gè)方法的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)按照以下順序查找類： 調(diào)用findLoadedClass(String)方法檢查這個(gè)類是否被加載過 使用父加載器調(diào)用loadClass(String)方法，如果父加載器為Null，類加載器裝載虛擬機(jī)內(nèi)置的加載器調(diào)用findClass(String)方法裝載類， 如果，按照以上的步驟成功的找到對應(yīng)的類，并且該方法接收的resolve參數(shù)的值為true,那么就調(diào)用resolveClass(Class)方法來處理類。 ClassLoader的子類最好覆蓋findClass(String)而不是這個(gè)方法。 除非被重寫，這個(gè)方法默認(rèn)在整個(gè)裝載過程中都是同步的（線程安全的）。
resolveClass：Class載入必須鏈接（link），鏈接指的是把單一的Class加入到有繼承關(guān)系的類樹中。這個(gè)方法給Classloader用來鏈接一個(gè)類，如果這個(gè)類已經(jīng)被鏈接過了，那么這個(gè)方法只做一個(gè)簡單的返回。否則，這個(gè)類將被按照 Java規(guī)范中的Execution描述進(jìn)行鏈接。
3.2 自定義類加載器實(shí)現(xiàn)
按照3.1的說明，繼承ClassLoader后重寫了findClass方法加載指定路徑上的class。先貼上自定義類加載器。
package com.chenerzhu.learning.classloader;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;
/**
* @author chenerzhu
* @create 2018-10-04 10:47
**/
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
private String path;
public MyClassLoader(String path) {
this.path = path;
}
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
byte[] result = getClass(name);
if (result == null) {
throw new ClassNotFoundException();
} else {
return defineClass(name, result, 0, result.length);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
private byte[] getClass(String name) {
try {
return Files.readAllBytes(Paths.get(path));
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
}
以上就是自定義的類加載器了，實(shí)現(xiàn)的功能是加載指定路徑的class。再看看如何使用。
package com.chenerzhu.learning.classloader;
import org.junit.Test;
/**
* Created by chenerzhu on 2018/10/4.
*/
public class MyClassLoaderTest {
@Test
public void testClassLoader() throws Exception {
MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader("src/test/resources/bean/Hello.class");
Class clazz = myClassLoader.loadClass("com.chenerzhu.learning.classloader.bean.Hello");
Object obj = clazz.newInstance();
System.out.println(obj);
System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
}
}
首先通過構(gòu)造方法創(chuàng)建MyClassLoader對象myClassLoader，指定加載src/test/resources/bean/Hello.class路徑的Hello.class（當(dāng)然這里只是個(gè)例子，直接指定一個(gè)class的路徑了）。然后通過myClassLoader方法loadClass加載Hello的Class對象，最后實(shí)例化對象。以下是輸出結(jié)果，看得出來實(shí)例化成功了，并且類加載器使用的是MyClassLoader。
com.chenerzhu.learning.classloader.bean.Hello@2b2948e2
com.chenerzhu.learning.classloader.MyClassLoader@335eadca
四、類Class卸載
JVM中class和Meta信息存放在PermGen space區(qū)域（JDK1.8之后存放在MateSpace中）。如果加載的class文件很多，那么可能導(dǎo)致元數(shù)據(jù)空間溢出。引起java.lang.OutOfMemory異常。對于有些Class我們可能只需要使用一次，就不再需要了，也可能我們修改了class文件，我們需要重新加載 newclass，那么oldclass就不再需要了。所以需要在JVM中卸載（unload）類Class。
JVM中的Class只有滿足以下三個(gè)條件，才能被GC回收，也就是該Class被卸載（unload）：
1. 該類所有的實(shí)例都已經(jīng)被GC。
2. 該類的java.lang.Class對象沒有在任何地方被引用。
3. 加載該類的ClassLoader實(shí)例已經(jīng)被GC。
很容易理解，就是要被卸載的類的ClassLoader實(shí)例已經(jīng)被GC并且本身不存在任何相關(guān)的引用就可以被卸載了，也就是JVM清除了類在方法區(qū)內(nèi)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
JVM自帶的類加載器所加載的類，在虛擬機(jī)的生命周期中，會(huì)始終引用這些類加載器，而這些類加載器則會(huì)始終引用它們所加載的類的Class對象。因此這些Class對象始終是可觸及的，不會(huì)被卸載。而用戶自定義的類加載器加載的類是可以被卸載的。雖然滿足以上三個(gè)條件Class可以被卸載，但是GC的時(shí)機(jī)我們是不可控的，那么同樣的我們對于Class的卸載也是不可控的。
五、JVM自定義類加載器加載指定classPath下的所有class及jar
經(jīng)過以上幾個(gè)點(diǎn)的說明，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)JVM自定義類加載器加載指定classPath下的所有class及jar了。這里沒有限制class和jar的位置，只要是classPath路徑下的都會(huì)被加載進(jìn)JVM，而一些web應(yīng)用服務(wù)器加載是有限定的，比如tomcat加載的是每個(gè)應(yīng)用classPath+“/classes”加載class，classPath+“/lib”加載jar。以下就是代碼啦...
package com.chenerzhu.learning.classloader;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;
import java.util.Enumeration;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.jar.JarEntry;
import java.util.jar.JarFile;
/**
* @author chenerzhu
* @create 2018-10-04 12:24
**/
public class ClassPathClassLoader extends ClassLoader{
private static Map<String, byte[]> classMap = new ConcurrentHashMap<>();
private String classPath;
public ClassPathClassLoader() {
}
public ClassPathClassLoader(String classPath) {
if (classPath.endsWith(File.separator)) {
this.classPath = classPath;
} else {
this.classPath = classPath + File.separator;
}
preReadClassFile();
preReadJarFile();
}
public static boolean addClass(String className, byte[] byteCode) {
if (!classMap.containsKey(className)) {
classMap.put(className, byteCode);
return true;
}
return false;
}
/**
* 這里僅僅卸載了myclassLoader的classMap中的class,虛擬機(jī)中的
* Class的卸載是不可控的
* 自定義類的卸載需要MyClassLoader不存在引用等條件
* @param className
* @return
*/
public static boolean unloadClass(String className) {
if (classMap.containsKey(className)) {
classMap.remove(className);
return true;
}
return false;
}
/**
* 遵守雙親委托規(guī)則
*/
@Override
protected Class<?> findClass(String name) {
try {
byte[] result = getClass(name);
if (result == null) {
throw new ClassNotFoundException();
} else {
return defineClass(name, result, 0, result.length);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
private byte[] getClass(String className) {
if (classMap.containsKey(className)) {
return classMap.get(className);
} else {
return null;
}
}
private void preReadClassFile() {
File[] files = new File(classPath).listFiles();
if (files != null) {
for (File file : files) {
scanClassFile(file);
}
}
}
private void scanClassFile(File file) {
if (file.exists()) {
if (file.isFile() && file.getName().endsWith(".class")) {
try {
byte[] byteCode = Files.readAllBytes(Paths.get(file.getAbsolutePath()));
String className = file.getAbsolutePath().replace(classPath, "")
.replace(File.separator, ".")
.replace(".class", "");
addClass(className, byteCode);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
} else if (file.isDirectory()) {
for (File f : file.listFiles()) {
scanClassFile(f);
}
}
}
}
private void preReadJarFile() {
File[] files = new File(classPath).listFiles();
if (files != null) {
for (File file : files) {
scanJarFile(file);
}
}
}
private void readJAR(JarFile jar) throws IOException {
Enumeration<JarEntry> en = jar.entries();
while (en.hasMoreElements()) {
JarEntry je = en.nextElement();
je.getName();
String name = je.getName();
if (name.endsWith(".class")) {
//String className = name.replace(File.separator, ".").replace(".class", "");
String className = name.replace("\\", ".")
.replace("/", ".")
.replace(".class", "");
InputStream input = null;
ByteArrayOutputStream baos = null;
try {
input = jar.getInputStream(je);
baos = new ByteArrayOutputStream();
int bufferSize = 1024;
byte[] buffer = new byte[bufferSize];
int bytesNumRead = 0;
while ((bytesNumRead = input.read(buffer)) != -1) {
baos.write(buffer, 0, bytesNumRead);
}
addClass(className, baos.toByteArray());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (baos != null) {
baos.close();
}
if (input != null) {
input.close();
}
}
}
}
}
private void scanJarFile(File file) {
if (file.exists()) {
if (file.isFile() && file.getName().endsWith(".jar")) {
try {
readJAR(new JarFile(file));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
} else if (file.isDirectory()) {
for (File f : file.listFiles()) {
scanJarFile(f);
}
}
}
}
public void addJar(String jarPath) throws IOException {
File file = new File(jarPath);
if (file.exists()) {
JarFile jar = new JarFile(file);
readJAR(jar);
}
}
}
如何使用的代碼就不貼了，和3.2節(jié)自定義類加載器的使用方式一樣。只是構(gòu)造方法的參數(shù)變成classPath了，篇末有代碼。當(dāng)創(chuàng)建MyClassLoader對象時(shí)，會(huì)自動(dòng)添加指定classPath下面的所有class和jar里面的class到classMap中，classMap維護(hù)className和classCode字節(jié)碼的關(guān)系，只是個(gè)緩沖作用，避免每次都從文件中讀取。自定義類加載器每次loadClass都會(huì)首先在JVM中找是否已經(jīng)加載className的類，如果不存在就會(huì)到classMap中取，如果取不到就是加載錯(cuò)誤了。
六、最后
至此，JVM自定義類加載器加載指定classPath下的所有class及jar已經(jīng)完成了。這篇博文花了兩天才寫完，在寫的過程中有意識(shí)地去了解了許多代碼的細(xì)節(jié)，收獲也很多。本來最近僅僅是想實(shí)現(xiàn)Quartz控制臺(tái)頁面任務(wù)添加支持動(dòng)態(tài)class，結(jié)果不知不覺跑到類加載器的坑了，在此也趁這個(gè)機(jī)會(huì)總結(jié)一遍。當(dāng)然以上內(nèi)容并不能保證正確，所以希望大家看到錯(cuò)誤能夠指出，幫助我更正已有的認(rèn)知，共同進(jìn)步。。。
本文的代碼已經(jīng)上傳github：https://github.com/chenerzhu/learning/tree/master/classloader 歡迎下載和指正。
參考文章：
