深入理解Java虚拟机-7.4 类加载器- 高飞网

7.4 类加载器

2017-02-18 19:45:40.0

7.4.1 类与类加载器

   对于任意一个类,都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性。即:比较两个类是否“相等”,只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义,否则,即使这两个类是来源于同一个Class文件,只要加载它们的类加载器不同,那么这两个类就必定不相等。

    这里所指的“相等”,包括代表类Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果,也包括了instanceof关键字做对象所属关系判断等情况。

import java.io.*;
public class ClassLoaderTest{
    public static void main(String[] args)throws Exception{
        ClassLoader myClassLoader = new ClassLoader(){
            public Class<?> loadClass(String name)throws ClassNotFoundException{
                try{
                    String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".")+1)+".class";         
                    InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                    if(is==null){
                        return super.loadClass(name);
                    }
                    byte[] b = new byte[is.available()];
                    is.read(b);
                    return defineClass(name,b,0,b.length);
                }catch(Exception e){
                    throw new ClassNotFoundException(name);
                }
            }
        };  
        Object o = myClassLoader.loadClass("ClassLoaderTest");
        System.out.println(o);
        System.out.println(o instanceof ClassLoaderTest);

    }
}

输出:

class ClassLoaderTest
false

    上面的代码中,由于ClassLoaderTest不是由一个类加载器加载的,因此第二个判断instanceof时返回false。


7.4.2 双亲委派模型

    站在Java虚拟机的角度讲,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),这个类加载器是使用C++语言实现,是虚拟机自身的一部分:另外一种就是所有其他的类加载器,这些类加载器都是由Java语言实现,独立于虚拟机外部,并且全部都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

    从Java开发人员的角度来看,类加载器还可以划分得更细致一些,绝大部分Java程序都会使用到以下三种系统提供的类加载器:
    启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME>/lib目录中的,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的,并且是虚拟机识别的(仅按照文件名识别,如rt.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用。
    扩展类加载器(Extension ClassLoader):这个类加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,它负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的,或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库,开发者可以直接使用扩展类加载器。
    应用程序类加载器(Application ClassLoader):这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法返回值,所以一般称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径(ClassPath)上所指定的类库,开发者可以直接使用这个类加载器,如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器,一般情况 下这个就是程序中默认的类加载器。

    

    上图所示的类加载器之间的这种层次关系,称为类加载器的双亲委派模型。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外,其余的类加载器都应有自己的父类加载器。

    双亲委派模型的工作过程是:如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把这个请求委派给父类加载器去完成,每一层次的类加载器都是如此,因此所有的加载请求最终都应传送到顶层的启动类加载器中,唯有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它搜索的范围中没有找到所需的类)时,子加载器才会尝试自己去加载。

    使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系,有一个显而易见的好处就是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object,它存放在rt.jar之中,无论哪一个类加载器要加载这个类,最终都是委派给启动类加载器进行加载,因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反,如果没有使用双亲委派模型,由各个类加载器自行去加载的话,如果用户自己写了一个名为java.lang.Object的类,并放在程序的ClassPath中,那系统中将会出现多个不同的Object类,Java类型体系中最基础的行为也就无从保证,应用程序也将变得一片混乱。

    双亲委派模型对于保证Java程序的稳定动作很重要,但实现却非常简单:

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
    // 首先,检查请求的类是否已经被加载过了
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
	try {
	    if (parent != null) {
		c = parent.loadClass(name, false);
	    } else {
		c = findBootstrapClassOrNull(name);
	    }
	} catch (ClassNotFoundException e) {
	    // 如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
	    // 则说明父类加载器无法完成加载请求
	}

	if (c == null) {
	    // 在父类加载器无法完成加载的时候
	    // 再调用本身的findClass方法进行类加载
	    c = findClass(name);
	}
    }
    if (resolve) {
	resolveClass(c);
    }
    return c;
}
}


7.4.3 破坏双亲委派模型

    第一次破坏:发生在双亲委派模型出现之前——即JDK1.2发布之前。在此之前,继续ClassLoader就是为了重写loadClass方法。在之后,ClassLoader添加了一个新的protected方法findClass()。所以1.2之后,不建议去覆盖loadClass方法了,而应把自己的类加载逻辑写到findClass方法中。在loadClass方法的逻辑里如果父类加载失败,则会调用自己的findClass方法来完成加载,这样就可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派模型的。

import java.io.*;
public class ClassLoaderTest2{
    public static void main(String[] args)throws Exception{
        ClassLoader myCL = new ClassLoader(){
            //过程此类查找由二进制名称name指定的类,可以有效的遵循类加载的双亲委派模型
            protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException{
                name = name.substring(0,name.length()-4);
                byte[] b = loadClassData(name);
                return defineClass(name,b,0,b.length);//通过defineClass来得到Class对象
            }
            //过程loadClassData方法,可以自由的实现从文件系统、网络、数据库、实时计算等渠道获取字节码
            private byte[] loadClassData(String name){
                String path = name+".class";
                InputStream is = null; 
                try{
                    is = new FileInputStream(path);
                    if(is!=null){
                        byte[] b = new byte[is.available()];
                        is.read(b);
                        return b;
                    }
                }catch(Exception e){
                    System.err.println("获取字节码失败.");
                    throw new RuntimeException(e);
                }finally{
                    if(is!=null){
                        try{is.close();}catch(Exception e){}
                    }
                }
                return null;
            }
        };
        Class c = myCL.loadClass("ClassLoaderTest2Haha");
        c.newInstance();
    }

    public ClassLoaderTest2(){
        System.out.println("init. load by "+getClass().getClassLoader());
    }

}

    上面的代码中,故意将类名后面加了个"Haha",这样可以使得父加载器找不到相应的类,进而使用我们自定义的类加载器。这里的loadClassData方法是最具有灵活性的,可以随意指定字节码来源。


    第二次破坏是由这个模型自身的缺陷所导致的,双亲委派很好地解决了各个加载器的基础类的统一问题(越基础的类由越上层的加载器进行加载),基础类之所以被称为“基础”,是因为它们总是作为被用户代码调用的API,但有化学分析情况下,基础类又可能调用回用户的代码,如JNDI服务。JNDI的代码由启动类加载器去加载,但JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找,它需要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI接口提供者的代码,但启动类加载器不可能知道这些代码。

    为了解决这个困境,Java设计团队只好引入了一个不太优雅的设计:线程上下文类加载器。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader方法进行设置,如果创建线程还未设置,它将会从父线程中继承一个:如果在应用程序的全局范围内都没有设置过,那么这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

public void setContextClassLoader(ClassLoader cl) {
    SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
    if (sm != null) {
        sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
    }
    contextClassLoader = cl;
}

    有了线程上下文类加载器,JNDI服务使用它去加载所需要的SPI代码,也就是父类加载器请求子类加载器去完成加载的动作,这种行为实际上就是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器,已经违背了双亲委派模型的一般性原则。

    第三次破坏是由于用户对程序动态性的追求而导致的,指的是当前一些非常“热”门的名词:代码热替换(HotSwap)、模块热部署(Hot Deployment)等。

    OSGI是当前业界的Java模块化标准,而OSGi实现模块化热部署的关键则是它自定义的类加载器机制实现的。