電腦程式的思維邏輯 (87) - 類載入機制

来源:http://www.cnblogs.com/swiftma/archive/2017/05/25/6901301.html
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本節探討Java中的類載入機制，利用自定義的ClassLoader實現熱部署 ...


上節，我們探討了動態代理，在前幾節中，我們多次提到了類載入器ClassLoader，本節就來詳細討論Java中的類載入機制與ClassLoader。

類載入器ClassLoader就是載入其他類的類，它負責將位元組碼文件載入到記憶體，創建Class對象。與之前介紹的反射、註解、和動態代理一樣，在大部分的應用編程中，我們不太需要自己實現ClassLoader。

不過，理解類載入的機制和過程，有助於我們更好的理解之前介紹的內容，更好的理解Java。在反射一節，我們介紹過Class的靜態方法Class.forName，理解類載入器有助於我們更好的理解該方法。

ClassLoader一般是系統提供的，不需要自己實現，不過，通過創建自定義的ClassLoader，可以實現一些強大靈活的功能，比如：

  • 熱部署，在不重啟Java程式的情況下，動態替換類的實現，比如Java Web開發中的JSP技術就利用自定義的ClassLoader實現修改JSP代碼即生效，OSGI (Open Service Gateway Initiative)框架使用自定義ClassLoader實現動態更新。
  • 應用的模塊化和相互隔離，不同的ClassLoader可以載入相同的類但互相隔離、互不影響。Web應用伺服器如Tomcat利用這一點在一個程式中管理多個Web應用程式，每個Web應用使用自己的ClassLoader，這些Web應用互不幹擾。OSGI利用這一點實現了一個動態模塊化架構，每個模塊有自己的ClassLoader，不同模塊可以互不幹擾。
  • 從不同地方靈活載入，系統預設的ClassLoader一般從本地的.class文件或jar文件中載入位元組碼文件，通過自定義的ClassLoader，我們可以從共用的Web伺服器、資料庫、緩存伺服器等其他地方載入位元組碼文件。

理解自定義ClassLoader有助於我們理解這些系統程式和框架，如Tomat, JSP, OSGI，在業務需要的時候，也可以藉助自定義ClassLoader實現動態靈活的功能。

下麵，我們首先來進一步理解Java載入類的過程，理解類ClassLoader和Class.forName，介紹一個簡單的應用，然後我們探討如何實現自定義ClassLoader，演示如何利用它實現熱部署。

類載入的基本機制和過程

運行Java程式，就是執行java這個命令，指定包含main方法的完整類名，以及一個classpath，即類路徑。類路徑可以有多個，對於直接的class文件，路徑是class文件的根目錄，對於jar包，路徑是jar包的完整名稱（包括路徑和jar包名）。

Java運行時，會根據類的完全限定名尋找並載入類，尋找的方式基本就是在系統類和指定的類路徑中尋找，如果是class文件的根目錄，則直接查看是否有對應的子目錄及文件，如果是jar文件，則首先在記憶體中解壓文件，然後再查看是否有對應的類。

負責載入類的類就是類載入器，它的輸入是完全限定的類名，輸出是Class對象。類載入器不是只有一個，一般程式運行時，都會有三個：

  1. 啟動類載入器(Bootstrap ClassLoader)：這個載入器是Java虛擬機實現的一部分，不是Java語言實現的，一般是C++實現的，它負責載入Java的基礎類，主要是<JAVA_HOME>/lib/rt.jar，我們日常用的Java類庫比如String, ArrayList等都位於該包內。
  2. 擴展類載入器(Extension ClassLoader)：這個載入器的實現類是sun.misc.Launcher$ExtClassLoader，它負責載入Java的一些擴展類，一般是<JAVA_HOME>/lib/ext目錄中的jar包。
  3. 應用程式類載入器(Application ClassLoader)：這個載入器的實現類是sun.misc.Launcher$AppClassLoader，它負責載入應用程式的類，包括自己寫的和引入的第三方法類庫，即所有在類路徑中指定的類。

這三個類載入器有一定的關係，可以認為是父子關係，Application ClassLoader的父親是Extension ClassLoader，Extension的父親是Bootstrap ClassLoader，註意不是父子繼承關係，而是父子委派關係，子ClassLoader有一個變數parent指向父ClassLoader，在子ClassLoader載入類時，一般會首先通過父ClassLoader載入，具體來說，在載入一個類時，基本過程是：

  1. 判斷是否已經載入過了，載入過了，直接返回Class對象，一個類只會被一個ClassLoader載入一次。
  2. 如果沒有被載入，先讓父ClassLoader去載入，如果載入成功，返回得到的Class對象。
  3. 在父ClassLoader沒有載入成功的前提下，自己嘗試載入類。

這個過程一般被稱為"雙親委派"模型，即優先讓父ClassLoader去載入。為什麼要先讓父ClassLoader去載入呢？這樣，可以避免Java類庫被覆蓋的問題，比如用戶程式也定義了一個類java.lang.String，通過雙親委派，java.lang.String只會被Bootstrap ClassLoader載入，避免自定義的String覆蓋Java類庫的定義。

需要瞭解的是，"雙親委派"雖然是一般模型，但也有一些例外，比如：

  • 自定義的載入順序：儘管不被建議，自定義的ClassLoader可以不遵從"雙親委派"這個約定，不過，即使不遵從，以"java"開頭的類也不能被自定義類載入器載入，這是由Java的安全機制保證的，以避免混亂。
  • 網狀載入順序：在OSGI框架中，類載入器之間的關係是一個網，每個OSGI模塊有一個類載入器，不同模塊之間可能有依賴關係，在一個模塊載入一個類時，可能是從自己模塊載入，也可能是委派給其他模塊的類載入器載入。
  • 父載入器委派給子載入器載入：典型的例子有JNDI服務(Java Naming and Directory Interface)，它是Java企業級應用中的一項服務，具體我們就不介紹了。

一個程式運行時，會創建一個Application ClassLoader，在程式中用到ClassLoader的地方，如果沒有指定，一般用的都是這個ClassLoader，所以，這個ClassLoader也被稱為系統類載入器(System ClassLoader)。

下麵，我們來具體看下表示類載入器的類 - ClassLoader。

理解ClassLoader

基本用法

類ClassLoader是一個抽象類，Application ClassLoader和Extension ClassLoader的具體實現類分別是sun.misc.Launcher$AppClassLoader和sun.misc.Launcher$ExtClassLoader，Bootstrap ClassLoader不是由Java實現的，沒有對應的類。

每個Class對象都有一個方法，可以獲取實際載入它的ClassLoader，方法是： 

public ClassLoader getClassLoader()

ClassLoader有一個方法，可以獲取它的父ClassLoader：

public final ClassLoader getParent()

如果ClassLoader是Bootstrap ClassLoader，返回值為null。

比如：

public class ClassLoaderDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader cl = ClassLoaderDemo.class.getClassLoader();
        while (cl != null) {
            System.out.println(cl.getClass().getName());
            cl = cl.getParent();
        }
        
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
    }
}

輸出為：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
null

ClassLoader有一個靜態方法，可以獲取預設的系統類載入器：

public static ClassLoader getSystemClassLoader()

ClassLoader中有一個主要方法，用於載入類：

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException

比如：

ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();
try {
    Class<?> cls = cl.loadClass("java.util.ArrayList");
    ClassLoader actualLoader = cls.getClassLoader();
    System.out.println(actualLoader);
} catch (ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}

需要說明的是，由於委派機制，Class的getClassLoader()方法返回的不一定是調用loadClass的ClassLoader，比如，上面代碼中，java.util.ArrayList實際由BootStrap ClassLoader載入，所以返回值就是null。

ClassLoader vs Class.forName

在反射一節，我們介紹過Class的兩個靜態方法forName：

public static Class<?> forName(String className)
public static Class<?> forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader)

第一個方法使用系統類載入器載入，第二個指定ClassLoader，參數initialize表示，載入後，是否執行類的初始化代碼(如static語句塊)，沒有指定預設為true。

ClassLoader的loadClass方法與forName方法都可以載入類，它們有什麼不同呢？基本是一樣的，不過，有一個不同，ClassLoader的loadClass不會執行類的初始化代碼，看個例子：

public class CLInitDemo {
    public static class Hello {
        static {
            System.out.println("hello");
        }
    };

    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        String className = CLInitDemo.class.getName() + "$Hello";
        try {
            Class<?> cls = cl.loadClass(className);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

使用ClassLoader載入靜態內部類Hello，Hello有一個static語句塊，輸出"hello"，運行該程式，類被載入了，但沒有任何輸出，即static語句塊沒有被執行。如果將loadClass的語句換為：

Class<?> cls = Class.forName(className);

則static語句塊會被執行，屏幕將輸出"hello"。

實現代碼

我們來看下ClassLoader的loadClass代碼，以進一步理解其行為：

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    return loadClass(name, false);
}

它調用了另一個loadClass方法，其主要代碼為(省略了一些代碼，加了註釋，以便於理解)：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 首先，檢查類是否已經被載入了
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            //沒被載入，先委派父ClassLoader或BootStrap ClassLoader去載入
            try {
                if (parent != null) {
                    //委派父ClassLoader，resolve參數固定為false
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                //沒找到，捕獲異常，以便嘗試自己載入                
            }
            if (c == null) {
                // 自己去載入，findClass才是當前ClassLoader的真正載入方法
                c = findClass(name);
            }
        }
        if (resolve) {
            // 鏈接，執行static語句塊
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

參數resolve類似Class.forName中的參數initialize，可以看出，其預設值為false，即使通過自定義ClassLoader重寫loadClass，設置resolve為true，它調用父ClassLoader的時候，傳遞的也是固定的false。

findClass是一個protected方法，類ClassLoader的預設實現就是拋出ClassNotFoundException，子類應該重寫該方法，實現自己的載入邏輯，後文我們會看個具體例子。

類載入應用 - 可配置的策略

可以通過ClassLoader的loadClass或Class.forName自己載入類，但什麼情況需要自己載入類呢？

很多應用使用面向介面的編程，介面具體的實現類可能有很多，適用於不同的場合，具體使用哪個實現類在配置文件中配置，通過更改配置，不用改變代碼，就可以改變程式的行為，在設計模式中，這是一種策略模式，我們看個簡單的示例。

定義一個服務介面IService：

public interface IService {
    public void action();
}

客戶端通過該介面訪問其方法，怎麼獲得IService實例呢？查看配置文件，根據配置的實現類，自己載入，使用反射創建實例對象，示例代碼為：

public class ConfigurableStrategyDemo {
    public static IService createService() {
        try {
            Properties prop = new Properties();
            String fileName = "data/c87/config.properties";
            prop.load(new FileInputStream(fileName));
            String className = prop.getProperty("service");
            Class<?> cls = Class.forName(className);
            return (IService) cls.newInstance();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        IService service = createService();
        service.action();
    }
}

config.properties的內容示例為：

service=shuo.laoma.dynamic.c87.ServiceB

代碼比較簡單，就不贅述了。

自定義ClassLoader

基本用法

Java類載入機制的強大之處在於，我們可以創建自定義的ClassLoader，自定義ClassLoader是Tomcat實現應用隔離、支持JSP，OSGI實現動態模塊化的基礎。 

怎麼自定義呢？一般而言，繼承類ClassLoader，重寫findClass就可以了。怎麼實現findClass呢？使用自己的邏輯尋找class文件位元組碼的位元組形式，找到後，使用如下方法轉換為Class對象：

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)

name表示類名，b是存放位元組碼數據的位元組數組，有效數據從off開始，長度為len。

看個例子：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {

    private static final String BASE_DIR = "data/c87/";

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        String fileName = name.replaceAll("\\.", "/");
        fileName = BASE_DIR + fileName + ".class";
        try {
            byte[] bytes = BinaryFileUtils.readFileToByteArray(fileName);
            return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
        } catch (IOException ex) {
            throw new ClassNotFoundException("failed to load class " + name, ex);
        }
    }
}

MyClassLoader從BASE_DIR下的路徑中載入類，它使用了我們在57節介紹的BinaryFileUtils讀取文件，轉換為byte數組。MyClassLoader沒有指定父ClassLoader，預設是系統類載入器，即ClassLoader.getSystemClassLoader()的返回值，不過，ClassLoader有一個可重寫的構造方法，可以指定父ClassLoader：

protected ClassLoader(ClassLoader parent)

用途

MyClassLoader有什麼用呢？將BASE_DIR加到classpath中不就行了，確實可以，這裡主要是演示基本用法，實際中，可以從Web伺服器、資料庫或緩存伺服器獲取bytes數組，這就不是系統類載入器能做到的了。

不過，不把BASE_DIR放到classpath中，而是使用MyClassLoader載入，確實有一個很大的好處，可以創建多個MyClassLoader，對同一個類，每個MyClassLoader都可以載入一次，得到同一個類的不同Class對象，比如：

MyClassLoader cl1 = new MyClassLoader();
String className = "shuo.laoma.dynamic.c87.HelloService";
Class<?> class1 = cl1.loadClass(className);

MyClassLoader cl2 = new MyClassLoader();
Class<?> class2 = cl2.loadClass(className);

if (class1 != class2) {
    System.out.println("different classes");
}

cl1和cl2是兩個不同的ClassLoader，class1和class2對應的類名一樣，但它們是不同的對象。

這到底有什麼用呢？

  • 可以實現隔離，一個複雜的程式，內部可能按模塊組織，不同模塊可能使用同一個類，但使用的是不同版本，如果使用同一個類載入器，它們是無法共存的，不同模塊使用不同的類載入器就可以實現隔離，Tomcat使用它隔離不同的Web應用，OSGI使用它隔離不同模塊。
  • 可以實現熱部署，使用同一個ClassLoader，類只會被載入一次，載入後，即使class文件已經變了，再次載入，得到的也還是原來的Class對象，而使用MyClassLoader，則可以先創建一個新的ClassLoader，再用它載入Class，得到的Class對象就是新的，從而實現動態更新。

下麵，我們來具體看熱部署的示例。

自定義ClassLoader的應用 - 熱部署

所謂熱部署，就是在不重啟應用的情況下，當類的定義，即位元組碼文件修改後，能夠替換該Class創建的對象，怎麼做到這一點呢？我們利用MyClassLoader，看個簡單的示例。

我們使用面向介面的編程，定義一個介面IHelloService：

public interface IHelloService {
    public void sayHello();
}

實現類是shuo.laoma.dynamic.c87.HelloImpl，class文件放到MyClassLoader的載入目錄中。

演示類是HotDeployDemo，它定義了以下靜態變數：

private static final String CLASS_NAME = "shuo.laoma.dynamic.c87.HelloImpl";
private static final String FILE_NAME = "data/c87/"
            +CLASS_NAME.replaceAll("\\.", "/")+".class";
private static volatile IHelloService helloService;

CLASS_NAME表示實現類名稱，FILE_NAME是具體的class文件路徑，helloService是IHelloService實例。

當CLASS_NAME代表的類位元組碼改變後，我們希望重新創建helloService，反映最新的代碼，怎麼做呢？先看用戶端獲取IHelloService的方法：

public static IHelloService getHelloService() {
    if (helloService != null) {
        return helloService;
    }
    synchronized (HotDeployDemo.class) {
        if (helloService == null) {
            helloService = createHelloService();
        }
        return helloService;
    }
}

這是一個單例模式，createHelloService()的代碼為：

private static IHelloService createHelloService() {
    try {
        MyClassLoader cl = new MyClassLoader();
        Class<?> cls = cl.loadClass(CLASS_NAME);
        if (cls != null) {
            return (IHelloService) cls.newInstance();
        }
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
    return null;
}

它使用MyClassLoader載入類，並利用反射創建實例，它假定實現類有一個public無參構造方法。

在調用IHelloService的方法時，客戶端總是先通過getHelloService獲取實例對象，我們模擬一個客戶端線程，它不停的獲取IHelloService對象，並調用其方法，然後睡眠1秒鐘，其代碼為：

public static void client() {
    Thread t = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                while (true) {
                    IHelloService helloService = getHelloService();
                    helloService.sayHello();
                    Thread.sleep(1000);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }
    };
    t.start();
}

怎麼知道類的class文件發生了變化，並重新創建helloService對象呢？我們使用一個單獨的線程模擬這一過程，代碼為：

public static void monitor() {
    Thread t = new Thread() {
        private long lastModified = new File(FILE_NAME).lastModified();

        @Override
        public void run() {
            try {
                while (true) {
                    Thread.sleep(100);
                    long now = new File(FILE_NAME).lastModified();
                    if (now != lastModified) {
                        lastModified = now;
                        reloadHelloService();
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }
    };
    t.start();
}

我們使用文件的最後修改時間來跟蹤文件是否發生了變化，當文件修改後，調用reloadHelloService()來重新載入，其代碼為：

public static void reloadHelloService() {
    helloService = createHelloService();
}

就是利用MyClassLoader重新創建HelloService，創建後，賦值給helloService，這樣，下次getHelloService()獲取到的就是最新的了。

在主程式中啟動client和monitor線程，代碼為：

public static void main(String[] args) {
    monitor();
    client();
}

在運行過程中，替換HelloImpl.class，可以看到行為會變化，為便於演示，我們在data/c87/shuo/laoma/dynamic/c87/目錄下準備了兩個不同的實現類HelloImpl_origin.class和HelloImpl_revised.class，在運行過程中替換，會看到輸出不一樣，如下圖所示：

使用cp命令修改HelloImpl.class，如果其內容與HelloImpl_origin.class一樣，輸出為"hello"，如果與HelloImpl_revised.class一樣，輸出為"hello revised"。

完整的代碼和數據在github上，文末有鏈接。

小結

本節探討了Java中的類載入機制，包括Java載入類的基本過程，類ClassLoader的用法，以及如何創建自定義的ClassLoader，探討了兩個簡單應用示例，一個通過動態載入實現可配置的策略，另一個通過自定義ClassLoader實現熱部署。

從84節到本節，我們探討了Java中的多個動態特性，包括反射、註解、動態代理和類載入器，作為應用程式員，大部分用的都比較少，用的較多的就是使用框架和庫提供的各種註解了，但這些特性大量應用於各種系統程式、框架、和庫中，理解這些特性有助於我們更好的理解它們，也可以在需要的時候自己實現動態、通用、靈活的功能。

在註解一節，我們提到，註解是一種聲明式編程風格，它提高了Java語言的表達能力，日常編程中一種常見的需求是文本處理，在電腦科學中，有一種技術大大提高了文本處理的表達能力，那就是正則表達式，大部分編程語言都有對它的支持，它有什麼強大功能呢？

(與其他章節一樣，本節所有代碼位於 https://github.com/swiftma/program-logic，位於包shuo.laoma.dynamic.c87下)

----------------

未完待續，查看最新文章，敬請關註微信公眾號“老馬說編程”(掃描下方二維碼)，從入門到高級，深入淺出，老馬和你一起探索Java編程及電腦技術的本質。用心原創，保留所有版權。


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