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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。

找到類的二進位位元組流，並載入進來
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:

findClass(String name).
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或-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。

載入不在CLASSPATH路徑的class文件
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。
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。

而代理模式 ，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()和 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