JAVA學習之ClassLoader

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JAVA學習之ClassLoader 前言 最近被 一句話所觸動—— 種一棵樹最好的時間是十年前,其次是現在。 所以決定要開始記錄自己的學習之路。 什麼是類載入? 我們都知道,每個.java文件可以經過javac指令編譯成.class文件,裡面包含著java虛擬機的機器指令。當我們需要使用一個jav ...


JAVA學習之ClassLoader

前言

最近被 一句話所觸動——種一棵樹最好的時間是十年前,其次是現在。所以決定要開始記錄自己的學習之路。

什麼是類載入?

我們都知道,每個.java文件可以經過javac指令編譯成.class文件,裡面包含著java虛擬機的機器指令。當我們需要使用一個java類時,虛擬機會載入它的.class文件,創建對應的java對象。將.class調入虛擬機的過程,稱之為載入。

loading :載入。通過類的完全限定名找到.class位元組碼文件,同時創建一個對象。

verification:驗證。確保class位元組碼文件符合當前虛擬機的要求。

preparation:準備。這時候將static修飾的變數進行記憶體分配,同時設置初始值。

resolution:解析。虛擬機將常量池中的符號引用變為直接引用。

  • 符號引用:在編譯之後完成的,一個常量並沒有進行記憶體分配,也就只能用符號引用。
  • 直接引用:常量會在preparation階段將常量進行記憶體分配,於是就可以建立直接的虛擬機記憶體聯繫,就可以直接引用。

initialization:初始化。類載入的最後階段。如果這個類有超類,進行超類的初始化,執行類的靜態代碼塊,同時給類的靜態變數賦予初值。前面的preparation階段是分配記憶體,都只是預設的值,並沒有被賦予初值。

類載入在java中有兩種方式

  • 顯示載入。通過class.fornNme(classname)或者this.getClass().getClassLoader.loadClass(classname)載入。即通過調用類載入器classLoader來完成類的載入
  • 隱式載入。類在需要被使用時,不直接調用ClassLoader,而是虛擬機自動調用ClassLoader載入到記憶體中。

什麼是ClassLoader?

類載入器的任務是將類的二進位位元組流讀入到JVM中,然後變成一個JVM能識別的class對象,同時實例化。於是我們就可以分解ClassLoader的任務。

  1. 找到類的二進位位元組流,並載入進來
  2. 規則化為JVM能識別的class對象

我們查看源碼,找到對應解決方案:

在ClassLoader中,定義了兩個介面:

  1. findClass(String name).
  2. defineClass(byte[] b , int off , int len)

findClass用於找到二進位文件並讀入,調用defineClass用位元組流變成JVM能識別的class對象,同時實例化class對象。

我們來看個例子:

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
	  // 獲取類的位元組數組,通過name找到類,如果你對位元組碼加密,需要自己解密出來
      byte[] classData = getClassData(name);  
      if (classData == null) {
          throw new ClassNotFoundException();
      } else {
	      //使用defineClass生成class對象
          return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
      }
  }

代理模式

提到類載入器,一定得涉及的是委派模式。在JAVA中,ClassLoader存在一下幾類,他們的關係如下:

  • Bootstrap ClassLoader:引導類載入器。採用原生c++實現,用於載入java的核心類(%JAVA_HOME%/lib路徑下的核心類庫或者 -Xbootclasspath指定下的jar包)到記憶體中。沒有父類

  • Extension ClassLoader:擴展類載入器。java實現,載入/lib/ext目錄下或者由系統變數-Djava.ext.dir指定位路徑中的類庫。父類載入器為null。

  • System ClassLoader:它會根據java應用的類路徑(CLASSPATH)來載入類,即java -classpath-D java.class.path 指定路徑下的類庫,也就是我們經常用到的classpath路徑。一般來說,java應用的類都是由它完成。可以由ClassLoader.getSystemLoader()方法獲得。父類載入器是Extension ClassLoader。

  • Customize ClassLoader:用戶自定義載入器。用於完成用戶自身的特有需求。父類載入器為System ClassLoader。

    1. 載入不在CLASSPATH路徑的class文件
    2. 加密後的class文件需要用戶自定義ClassLoader來解密後才能被JVM識別。
    3. 熱部署,同一個class文件通過不同的類載入器產生不同的class對象。兩個類完全相同不僅僅要是同一個class文件,還需要同一個類載入器、同一個JVM。

    代理模式 ,就是像上面圖片所展示那樣,當要載入一個類時,載入器會尋求其父類的幫助,讓父類嘗試去載入這個類。只有當父類失敗後,才會由自己載入。ClassLoader的loadClass()方法中體現。

    示例代碼:

    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,則委托給父類載入器去載入
                          c = parent.loadClass(name, false);
                      } else {
                      //如果沒有父類,則委托給啟動載入器去載入
                          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
                      // 如果都沒有找到,則通過自定義實現的findClass去查找並載入
                      c = findClass(name);
    
                  }
              }
              if (resolve) {//是否需要在載入時進行解析
                  resolveClass(c);
              }
              return c;
          }
      }
    
    

    findClass(String name)的類似實現上面有示例,resolveClass()就是完成解析功能。

    URLClassLoader

    URLClassLoader是常用的ClassLoader類,其實現了findclass()介面,所以如果自定義時繼承URLClassLoader可以不用重寫findclass()。ExtClassLoader在代理模式中屬於Extension ClassLoader,而AppClassLoader屬於System ClassLoader。

    線程上下文載入器

    前面我們提到過BootStrap ClassLoader載入的是%JAVA_HOME%/lib下的核心庫文件,而CLASSPATH路徑下的庫由System ClassLoader載入。但在java語言中,存在這種現象,Java 提供了很多服務提供者介面(Service Provider Interface,SPI),允許第三方為這些介面提供實現,如JDBC、JCE、JNDI等。而SPI是Java的核心庫文件,由 BootStrap ClassLoader載入,第三方實現是放在CLASSPATH路徑下,由System ClassLoader載入。當BootStrap ClassLoader啟用時,需要載入其實現,但自己找不到,又因為代理模式的存在,無法委托System ClassLoader來載入,所以無法實現。

    Contex ClassLoader(線程上下文載入器)剛好可以解決這個問題。

    Contex ClassLoader(線程上下文載入器)是從 JDK 1.2 開始引入的。類 java.lang.Thread中的方法 getContextClassLoader()setContextClassLoader(ClassLoader cl)用來獲取和設置線程的上下文類載入器。如果沒有通過 setContextClassLoader(ClassLoader cl)方法進行設置的話,線程將繼承其父線程的上下文類載入器。Java 應用運行的初始線程的上下文類載入器是系統類載入器。線上程中運行的代碼可以通過此類載入器來載入類和資源。

    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);
                  //省略不必要的代碼......
                }
            });
        }
    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) {
    	 //通過線程上下文類載入器載入
          ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
          return ServiceLoader.load(service, cl);
      }
    //調用
    String url = "jdbc:mysql://localhost:3342/cm-storylocker?characterEncoding=UTF-8";
    // 通過java庫獲取資料庫連接
    Connection conn = java.sql.DriverManager.getConnection(url, "root", "password");
    
    
    

    我們可以看到,當我們在使用JDBC的時候,會使用有DriverManager類,它的static代碼區引用的ServiceLoader類會完成JDBC實現類的載入。

    如何設計自己的ClassLoader

    給出例子,重寫文件系統載入器

    public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader { 
     
       private String rootDir; 
     
       public FileSystemClassLoader(String rootDir) { 
           this.rootDir = rootDir; 
       } 
     
       protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
           //根據規則獲取位元組流數組
           byte[] classData = getClassData(name); 
           if (classData == null) { 
               throw new ClassNotFoundException(); 
           } 
           else { 
               return defineClass(name, classData, 0, classData.length); 
           } 
       } 
     //設定自己的讀取規則
       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"; 
       } 
    }
    

    本文學習參考自

    [1] https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-classloader/index.html#minor1.1

    [2] https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/73413292

    [3] https://juejin.im/post/5e1aaf626fb9a0301d11ac8e#heading-8


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