深入探讨 Java 类加载器

原创
2014/05/03 18:50
阅读数 181

类加载器的基本概念:

顾名思义,类加载器(class loader)用来加载 Java 类到 Java 虚拟机中。一般来说,Java 虚拟机使用 Java 类的方式如下:Java 源程序(.java 文件)在经过 Java 编译器编译之后就被转换成 Java 字节代码(.class 文件)。类加载器负责读取 Java 字节代码,并转换成 java.lang.Class类的一个实例。每个这样的实例用来表示一个 Java 类。通过此实例的 newInstance()方法就可以创建出该类的一个对象。实际的情况可能更加复杂,比如 Java 字节代码可能是通过工具动态生成的,也可能是通过网络下载的。

类加载器的基本结构

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,并不继承自 java.lang.ClassLoader。它是由C++编写而成,并且已经内嵌到JVM中了,主要用来读取Java的核心类库JRE/lib/rt.jar。
  • 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(JRE/lib/ext/*.jar)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。
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。

以下代码可查看classLoader:

@Test
	public void test1() {
		ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
		while (classLoader != null) {
			System.out.println(classLoader.getClass().getName());
			classLoader = classLoader.getParent();
		}
		System.out.println(classLoader);
	}

输出:

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

    null为 引导类加载器。从输出结果可以看出AppClassLoaderExtClassLoader是sun.misc.Launcher的内部类,并均继承至java.net.URLClassLoader;

ClassLoader的代理模式

类加载器在尝试自己去查找某个类的字节代码并定义它时,会先代理给其父类加载器,由父类加载器先去尝试加载这个类,依次类推。在介绍代理模式背后的动机之前,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。比如一个 Java 类 com.example.Sample,编译之后生成了字节代码文件 Sample.class。两个不同的类加载器 ClassLoaderA和 ClassLoaderB分别读取了这个 Sample.class文件,并定义出两个 java.lang.Class类的实例来表示这个类。这两个实例是不相同的。对于 Java 虚拟机来说,它们是不同的类。试图对这两个类的对象进行相互赋值,会抛出运行时异常 ClassCastException。

为什么会用双亲代理模型?

因为这样可以避免重复加载,当父亲已经加载了该类的时候,就没有必要子ClassLoader再加载一次。考虑到安全因素,我们试想一下,如果不使用这种委托模式,那我们就可以随时使用自定义的String来动态替代java核心api中定义的类型,这样会存在非常大的安全隐患,而双亲委托的方式,就可以避免这种情况,因为String已经在启动时就被引导类加载器(Bootstrcp ClassLoader)加载,所以用户自定义的ClassLoader永远也无法加载一个自己写的String,除非你改变JDK中ClassLoader搜索类的默认算法。

ClassLoader中loadClass实现的:

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;
        }
    }


如何判断两个是相同的类?

 JVM在判定两个class是否相同时,不仅要判断两个类名是否相同,而且要判断是否由同一个类加载器实例加载的。只有两者同时满足的情况下,JVM才认为这两个class是相同的。就算两个class是同一份class字节码,如果被两个不同的ClassLoader实例所加载,JVM也会认为它们是两个不同class。

验证不同的加载器加载相同的类不一样:
使用的类:

package com.example; 

 public class Sample { 
    private Sample instance; 

    public void setSample(Object instance) { 
        this.instance = (Sample) instance; 
    } 
 }

文件系统类加载器:

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"; 
    } 
 }

测试方法:

public void testClassIdentity() { 
    String classDataRootPath = "C:\\workspace\\Classloader\\classData"; 
    FileSystemClassLoader fscl1 = new FileSystemClassLoader(classDataRootPath); 
    FileSystemClassLoader fscl2 = new FileSystemClassLoader(classDataRootPath); 
    String className = "com.example.Sample"; 	
    try { 
        Class<?> class1 = fscl1.loadClass(className); 
        Object obj1 = class1.newInstance(); 
        Class<?> class2 = fscl2.loadClass(className); 
        Object obj2 = class2.newInstance(); 
        Method setSampleMethod = class1.getMethod("setSample", java.lang.Object.class); 
        setSampleMethod.invoke(obj1, obj2); 
    } catch (Exception e) { 
        e.printStackTrace(); 
    } 
 }

运行结果:

java.lang.reflect.InvocationTargetException 
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method) 
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:39) 
at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:25)
at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:597) 
at classloader.ClassIdentity.testClassIdentity(ClassIdentity.java:26) 
at classloader.ClassIdentity.main(ClassIdentity.java:9) 
Caused by: java.lang.ClassCastException: com.example.Sample 
cannot be cast to com.example.Sample 
at com.example.Sample.setSample(Sample.java:7) 
... 6 more
展开阅读全文
加载中
点击引领话题📣 发布并加入讨论🔥
打赏
0 评论
1 收藏
0
分享
返回顶部
顶部