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JVM系列八:类加载器

那位先生_
 那位先生_
发布于 2015/07/24 21:01
字数 1985
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###类加载器基本概念

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中,将其放在运行时数据区的方法区内,然后在堆区创建一个这个类的java.lang.Class对象,用来封装类在方法区类的对象。也就是说,类加载的最终产品是位于堆区中的Class对象,Class对象封装了类在方法区内的数据结构,并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口

###加载类的方式

- 从本地系统直接加载
- 通过网络下载.class文件
- 从zip,jar等归档文件中加载.class文件
- 从专有数据库中提取.class文件
- 将Java源文件动态编译为.class文件(服务器)

###ClassLoader类 java.lang.ClassLoader类的基本职责就是根据一个指定的类的名称,找到或者生成其对应的字节代码,然后从这些字节代码中定义出一个 Java 类,即 java.lang.Class类的一个实例。除此之外,ClassLoader还负责加载 Java 应用所需的资源,如图像文件和配置文件等。JVM的类加载是通过ClassLoader及其子类来完成的,类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述:

JVM类加载器

Java 中的类加载器大致可以分成两类,一类是系统提供的,另外一类则是由 Java 应用开发人员编写的。系统提供的类加载器主要有下面三个:

  • 引导类加载器(bootstrap class loader):它用来加载 Java 的核心库,是用原生代码来实现的,并不继承自 java.lang.ClassLoader。
  • 扩展类加载器(extensions class loader):它用来加载 Java 的扩展库。Java 虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。该类加载器在此目录里面查找并加载 Java 类。
  • 系统类加载器(system class loader):它根据 Java 应用的类路径(CLASSPATH)来加载 Java 类。一般来说,Java 应用的类都是由它来完成加载的。可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它。

下面代码可以打印出Java类加载器的加载路径和继承关系:

public class ClassLoaderInfo{
	public static void main(String []args){
        System.out.println("sun.boot.class.path:" + System.getProperty("sun.boot.class.path"));   
        System.out.println("java.ext.dirs:" + System.getProperty("java.ext.dirs"));   
        System.out.println("java.class.path:" +System.getProperty("java.class.path"));
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();//等同于 ClassLoader.getSystemClassLoader()
        System.out.println("getContextClassLoader:" +cl.toString());
        System.out.println("getContextClassLoader.parent:" +cl.getParent().toString());
        System.out.println("getContextClassLoader.parent2:" +cl.getParent().getParent());
	}
}

除了系统提供的类加载器以外,开发人员可以通过继承 java.lang.ClassLoader类的方式实现自己的类加载器,以满足一些特殊的需求

###类加载器的代理模式 首先需要说明一下 Java 虚拟机是如何判定两个 Java 类是相同的。Java 虚拟机不仅要看类的全名是否相同,还要看加载此类的类加载器是否一样。只有两者都相同的情况,才认为两个类是相同的。即便是同样的字节代码,被不同的类加载器加载之后所得到的类,也是不同的。

代理模式是为了保证 Java 核心库的类型安全。所有 Java 应用都至少需要引用 java.lang.Object类,也就是说在运行的时候,java.lang.Object这个类需要被加载到 Java 虚拟机中。如果这个加载过程由 Java 应用自己的类加载器来完成的话,很可能就存在多个版本的 java.lang.Object类,而且这些类之间是不兼容的。通过代理模式,对于 Java 核心库的类的加载工作由引导类加载器来统一完成,保证了 Java 应用所使用的都是同一个版本的 Java 核心库的类,是互相兼容的。

类加载器在成功加载某个类之后,会把得到的 java.lang.Class类的实例缓存起来。下次再请求加载该类的时候,类加载器会直接使用缓存的类的实例,而不会尝试再次加载。也就是说,对于一个类加载器实例来说,相同全名的类只加载一次,即 loadClass方法不会被重复调用。

###Class.forName Class.forName是一个静态方法,同样可以用来加载类。该方法有两种形式:Class.forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader)和 Class.forName(String className)。第一种形式的参数 name表示的是类的全名;initialize表示是否初始化类;loader表示加载时使用的类加载器。第二种形式则相当于设置了参数 initialize的值为 true,loader的值为当前类的类加载器。Class.forName的一个很常见的用法是在加载数据库驱动的时候。如 Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")用来加载Mysql的数据库的驱动。

###开发自己的类加载器

第一个类加载器用来加载存储在文件系统上的 Java 字节代码。完整的实现如下所示。

public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader { 

    private String rootDir; 

    public FileSystemClassLoader(String rootDir) { 
        this.rootDir = rootDir; 
    } 

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
        byte[] classData = getClassData(name); 
        if (classData == null) { 
            throw new ClassNotFoundException(); 
        } 
        else { 
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length); 
        } 
    } 

    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"; 
    } 
 }

类 FileSystemClassLoader的 findClass()方法首先根据类的全名在硬盘上查找类的字节代码文件(.class 文件),然后读取该文件内容,最后通过 defineClass()方法来把这些字节代码转换成 java.lang.Class类的实例。

一般来说,自己开发的类加载器只需要覆写 findClass(String name)方法即可。java.lang.ClassLoader类的方法loadClass()封装了前面提到的代理模式的实现。该方法会首先调用 findLoadedClass()方法来检查该类是否已经被加载过;如果没有加载过的话,会调用父类加载器的 loadClass()方法来尝试加载该类;如果父类加载器无法加载该类的话,就调用 findClass()方法来查找该类。因此,为了保证类加载器都正确实现代理模式,在开发自己的类加载器时,最好不要覆写 loadClass()方法,而是覆写 findClass()方法

下面将通过一个网络类加载器来说明如何通过类加载器来实现组件的动态更新。即基本的场景是:Java 字节代码(.class)文件存放在服务器上,客户端通过网络的方式获取字节代码并执行。当有版本更新的时候,只需要替换掉服务器上保存的文件即可。通过类加载器可以比较简单的实现这种需求。

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.URL;

public class NetworkClassLoader extends ClassLoader {
	private String rootUrl;
	public NetworkClassLoader(String rootUrl) {
		this.rootUrl = rootUrl;
	}
	protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
		byte[] classData = getClassData(name);
		if (classData == null) {
			throw new ClassNotFoundException();
		}
		else {
			return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
		}
	}
	private byte[] getClassData(String className) {
		String path = classNameToPath(className);
		try {
			URL url = new URL(path);
			InputStream ins = url.openStream();
			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 (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return null;
	}
	private String classNameToPath(String className) {
		return rootUrl + "/"
				+ className.replace('.', '/') + ".class";
	}
}

类 NetworkClassLoader负责通过网络下载 Java 类字节代码并定义出 Java 类。它的实现与 FileSystemClassLoader类似。在通过 NetworkClassLoader加载了某个版本的类之后,一般有两种做法来使用它。第一种做法是使用 Java 反射 API。另外一种做法是使用接口。需要注意的是,并不能直接在客户端代码中引用从服务器上下载的类,因为客户端代码的类加载器找不到这些类。使用 Java 反射 API 可以直接调用 Java 类的方法。而使用接口的做法则是把接口的类放在客户端中,从服务器上加载实现此接口的不同版本的类。在客户端通过相同的接口来使用这些实现类。

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