谈谈 Java 类加载机制

2019/04/18 10:00
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你的关注意义重大!


来源:Rainstorm ,

github.com/c-rainstorm/blog/blob/master/java/谈谈Java类加载机制.md


最近在学习 Tomcat 架构,其中很重要的一个模块是类加载器,因为以前学习的不够深入,所以趁这个机会好好把类加载机制搞明白。


概述



类加载器主要分为两类,一类是 JDK 默认提供的,一类是用户自定义的。 JDK 默认提供三种类加载器:


  1. Bootstrap ClassLoader 启动类加载器:每次执行 java 命令时都会使用该加载器为虚拟机加载核心类。该加载器是由 native code 实现,而不是 Java 代码,加载类的路径为 <JAVA_HOME>/jre/lib。特别的 <JAVA_HOME>/jre/lib/rt.jar 中包含了 sun.misc.Launcher 类, 而 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 和 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 都是 sun.misc.Launcher 的内部类,所以拓展类加载器和系统类加载器都是由启动类加载器加载的。

  2. Extension ClassLoader, 拓展类加载器:用于加载拓展库中的类。拓展库路径为 <JAVA_HOME>/jre/lib/ext/。实现类为 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader

  3. System ClassLoader 系统类加载器:用于加载 CLASSPATH 中的类。实现类为 sun.misc.Launcher$AppClassLoader


用户自定义的类加载器


1. Custom ClassLoader, 一般都是 java.lang.ClassLoder 的子类


正统的类加载机制是基于双亲委派的,也就是当调用类加载器加载类时,首先将加载任务委派给双亲,若双亲无法加载成功时,自己才进行类加载。


在实例化一个新的类加载器时,我们可以为其指定一个 parent,即双亲,若未显式指定,则 System ClassLoader 就作为默认双亲。


具体的说,类加载任务是由 ClassLoader 的 loadClass() 方法来执行的,他会按照以下顺序加载类:


  1. 通过 findLoadedClass() 看该类是否已经被加载。该方法为 native code 实现,若已加载则返回。

  2. 若未加载则委派给双亲,parent.loadClass(),若成功则返回。

  3. 若未成功,则调用 findClass() 方法加载类。java.lang.ClassLoader 中该方法只是简单的抛出一个 ClassNotFoundException 所以,自定义的 ClassLoader 都需要 Override findClass() 方法。


类加载API


java.lang.ClassLoader


  • ClassLoader 是一个抽象类。

  • 待加载的类必须用 The Java™ Language Specification 定义的全类名,全类名的定义请查阅 The Form of a Binary。

  • 给定一个全类名,类加载器应该去定位该类所在的位置。通用的策略是将全类名转换为类文件路径,然后通过类文件路径在文件系统中定位。

  • 每一个加载到内存的类都由一个 Class 对象来表示,每一个 Class 对象都有一个指向加载该类的类加载器的引用。但是数组的 Class 对象是由 Java 运行时环境创建的,通过 Class.getClassLoader() 方法返回的是数组元素的类加载器,若数组元素是基本类型,则返回 null,若类是由 Bootstrap ClassLoader 加载的话也是返回 null。


public class Main {

    public static void main(String[] args) {

        // Object 类在 <java_home>/jre/lib/rt.jar 中,

        // 由 Bootstrap ClassLoader 加载,由于该类加载器是由 native code 编写

        // 所以输出为 null

        Object[] objects = new Object[5];

        System.out.println();

        System.out.println(objects.getClass().getClassLoader());

 

        // ZipFileAttributes 类在 <java_home>/jre/lib/ext/zipfs.jar 中,

        // 由 Extension ClassLoader 加载,

        // 输出为  sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4b67cf4d

        ZipFileAttributes[] attributes = new ZipFileAttributes[5];

        System.out.println();

        System.out.println(attributes.getClass().getClassLoader());

 

        // Main 类是自定义的类,

        // 默认由 System ClassLoader 加载,

        // 输出为 sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        Main[] array = new Main[5];

        array[0] = new Main();

        System.out.println();

        System.out.println(array.getClass().getClassLoader());

    }

}


  • ClassLoader 默认支持并行加载,但是其子类必须调用 ClassLoader.registerAsParallelCapable() 来启用并行加载

  • 一般来说,JVM 从本地文件系统加载类的行为是与平台有关的。

  • defineClass() 方法可以将字节流转换成一个 Class 对象。然后调用 Class.newInstance() 来创建类的实例


java.security.SecureClassLoader

增加了一层权限验证,因为关注点不在安全,所以暂不讨论。


java.net.URLClassLoader

该类加载器用来加载 URL 指定的 JAR 文件或目录中的类和资源,以 / 结尾的 URL 认为是目录,否则认为是 JAR 文件。


// 尝试通过 URLClassLoader 来加载桌面下的 Test 类。

public class Main {

    public static void main(String[] args) {

        try {

            URL[] urls = new URL[1];

            URLStreamHandler streamHandler = null;

            File classPath = new File("/home/chen/Desktop/");

            String repository = (new URL("file", null,

                    classPath.getCanonicalPath() + File.separator))

                    .toString();

            urls[0] = new URL(null, repository, streamHandler);

 

            ClassLoader loader = new URLClassLoader(urls);

 

            Class testClass = loader.loadClass("Test");

 

            // output:  java.net.URLClassLoader@7f31245a

            System.out.println(testClass.getClassLoader());

        } catch (MalformedURLException e) {

            e.printStackTrace();

        } catch (IOException e) {

            e.printStackTrace();

        } catch (ClassNotFoundException e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

}


Tomcat 8.5.15类加载机制



Tomcat 使用正统的类加载机制(双亲委派),但部分地方做了改动。


  • Bootstrap classLoader 和 Extension classLoader 的作用不变。

  • System classLoader 正常情况下加载的是 CLASSPATH 下的类,但是 Tomcat 的启动脚本并未使用该变量,而是从以下仓库下加载类:

  1. $CATALINA_HOME/bin/bootstrap.jar 包含了 Tomcat 的启动类。在该启动类中创建了 Common classLoader、Catalina classLoader、shared classLoader。因为 $CATALINA_BASE/conf/catalina.properties 中只对 common.loader 属性做了定义,server.loader 和 shared.loader 属性为空,所以默认情况下,这三个 classLoader 都是 CommonLoader。具体的代码逻辑可以查阅 org.apache.catalina.startup.Bootstrap 类的 initClassLoaders() 方法和 createClassLoader() 方法。

  2. $CATALINA_BASE/bin/tomcat-juli.jar 包含了 Tomcat 日志模块所需要的实现类。

  3. $CATALINA_HOME/bin/commons-daemon.jar。


  • Common classLoader 是位于 Tomcat 应用服务器顶层的公用类加载器。由其加载的类可以由 Tomcat 自身类和所有应用程序使用。扫描路径由 $CATALINA_BASE/conf/catalina.properties 文件中的 common.loader 属性定义。默认是 $CATALINA_HOME/lib。

  • catalina classLoader 用于加载服务器内部可见类,这些类应用程序不能访问。

  • shared classLoader 用于加载应用程序共享类,这些类服务器不会依赖。

  • Webapp classLoader 。每个应用程序都会有一个独一无二的 webapp classloader,他用来加载本应用程序 /WEB-INF/classes 和 /WEB-INF/lib 下的类。


特别的:


Webapp classLoader 的默认行为会与正常的双亲委派模式不同:


  1. 从 Bootstrap classloader 加载。

  2. 若没有,从 /WEB-INF/classes 加载。

  3. 若没有,从 /WEB-INF/lib/*.jar 加载。

  4. 若没有,则依次从 System、Common、shared 加载(该步骤使用双亲委派)。


当然了,我们也可以通过配置来使 Webapp classLoader 严格按照双亲委派模式加载类:


  1. 通过在工程的 META-INF/context.xml(和 WEB-INF/classes 在同一目录下) 配置文件中添加 <Loader delegate="true"/>

  2. 因为 Webapp classLoader 的实现类是 org.apache.catalina.loader.WebappLoader,他有一个属性叫 delegate, 用来控制类加载器的加载行为,默认为 false,我们可以使用 set 方法,将其设为 true 来启用严格双亲委派加载模式。


严格双亲委派模式加载步骤:


  1. 从 Bootstrap classloader 加载。

  2. 若没有,则依次从 System、Common、shared 加载。

  3. 若没有,从 /WEB-INF/classes 加载。

  4. 若没有,从 /WEB-INF/lib/*.jar 加载。


参考资料


  1. The Java Class Loading Mechanism

    https://docs.oracle.com/javase/tutorial/ext/basics/load.html

  2. Java Classloader

    https://en.wikipedia.org/wiki/Java_Classloader

  3. Class Loader HOW-TO – Apache Tomcat 8

    https://tomcat.apache.org/tomcat-8.5-doc/class-loader-howto.html

  4. 《Tomcat 架构解析》

    https://github.com/c-rainstorm/blog/blob/master/java

  5. 《深入理解 Java 虚拟机》

    https://github.com/c-rainstorm/blog/blob/master/java


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