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深入分析Java ClassLoader原理

一、什么是ClassLoader?

大家都知道,当我们写好一个Java程序之后。不是管是CS还是BS应用,都是由若干个.class文件组织而成的一个完整的Java应用程序,当程序在执行时,即会调用该程序的一个入口函数来调用系统的相关功能,而这些功能都被封装在不同的class文件其中,所以常常要从这个class文件里要调用另外一个class文件里的方法,假设另外一个文件不存在的,则会引发系统异常。而程序在启动的时候,并不会一次性载入程序所要用的全部class文件。而是依据程序的须要,通过Java的类载入机制(ClassLoader)来动态载入某个class文件到内存其中的,从而仅仅有class文件被载入到了内存之后。才干被其他class所引用。所以ClassLoader就是用来动态载入class文件到内存其中用的。

二、Java默认提供的三个ClassLoader

  1. BootStrap ClassLoader:称为启动类载入器,是Java类载入层次中最顶层的类载入器,负责载入JDK中的核心类库,如:rt.jar、resources.jar、charsets.jar等。可通过例如以下程序获得该类载入器从哪些地方载入了相关的jar或class文件:
    URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();  
    for (int i = 0; i < urls.length; i++) {  
        System.out.println(urls[i].toExternalForm());  
    }

    下面内容是上述程序从本机JDK环境所获得的结果:
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/resources.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/rt.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/sunrsasign.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jsse.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jce.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/charsets.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/classes/
    事实上上述结果也是通过查找sun.boot.class.path这个系统属性所得知的。

    System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));

    打印结果:C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes

  2. Extension ClassLoader:称为扩展类载入器,负责载入Java的扩展类库,默认载入JAVA_HOME/jre/lib/ext/目下的全部jar。
  3. App ClassLoader:称为系统类载入器。负责载入应用程序classpath文件夹下的全部jar和class文件。

注意: 除了Java默认提供的三个ClassLoader之外。用户还能够依据须要定义自已的ClassLoader。而这些自己定义的ClassLoader都必须继承自java.lang.ClassLoader类。也包含Java提供的另外二个ClassLoader(Extension ClassLoader和App ClassLoader)在内,可是Bootstrap ClassLoader不继承自ClassLoader,由于它不是一个普通的Java类,底层由C++编写。已嵌入到了JVM内核其中,当JVM启动后。Bootstrap ClassLoader也随着启动,负责载入完核心类库后,并构造Extension ClassLoader和App ClassLoader类载入器。

三、ClassLoader载入类的原理

1、原理介绍

ClassLoader使用的是双亲托付模型来搜索类的,每一个ClassLoader实例都有一个父类载入器的引用(不是继承的关系,是一个包括的关系),虚拟机内置的类载入器(Bootstrap ClassLoader)本身没有父类载入器,但能够用作其他ClassLoader实例的的父类载入器。当一个ClassLoader实例须要载入某个类时。它会试图亲自搜索某个类之前。先把这个任务托付给它的父类载入器。这个过程是由上至下依次检查的,首先由最顶层的类载入器Bootstrap ClassLoader试图载入,假设没载入到,则把任务转交给Extension ClassLoader试图载入。假设也没载入到,则转交给App ClassLoader 进行载入。假设它也没有载入得到的话,则返回给托付的发起者。由它到指定的文件系统或网络等URL中载入该类。假设它们都没有载入到这个类时,则抛出ClassNotFoundException异常。否则将这个找到的类生成一个类的定义。并将它载入到内存其中,最后返回这个类在内存中的Class实例对象。

2、为什么要使用双亲托付这样的模型呢?

由于这样能够避免反复载入,当父亲已经载入了该类的时候,就没有必要子ClassLoader再载入一次。考虑到安全因素,我们试想一下。假设不使用这样的托付模式,那我们就能够随时使用自己定义的String来动态替代java核心api中定义的类型。这样会存在很大的安全隐患,而双亲托付的方式,就能够避免这样的情况,由于String已经在启动时就被引导类载入器(Bootstrcp ClassLoader)载入。所以用户自己定义的ClassLoader永远也无法载入一个自己写的String,除非你改变JDK中ClassLoader搜索类的默认算法。

 3、 可是JVM在搜索类的时候,又是怎样判定两个class是同样的呢?

JVM在判定两个class是否同样时。不仅要推断两个类名是否同样,并且要推断是否由同一个类载入器实例载入的。仅仅有两者同一时候满足的情况下,JVM才觉得这两个class是同样的。就算两个class是同一份class字节码,假设被两个不同的ClassLoader实例所载入,JVM也会觉得它们是两个不同class。比方网络上的一个Java类org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple。javac编译之后生成字节码文件NetClassLoaderSimple.class,ClassLoaderA和ClassLoaderB这两个类载入器并读取了NetClassLoaderSimple.class文件。并分别定义出了java.lang.Class实例来表示这个类,对于JVM来说。它们是两个不同的实例对象。但它们确实是同一份字节码文件,假设试图将这个Class实例生成详细的对象进行转换时。就会抛执行时异常java.lang.ClassCaseException,提示这是两个不同的类型。

如今通过实例来验证上述所描写叙述的是否正确:

1)、在webserver上建一个org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple.java类

package org.classloader.simple;  
   
public class NetClassLoaderSimple {  
       
    private NetClassLoaderSimple instance;  
   
    public void setNetClassLoaderSimple(Object obj) {  
        this.instance = (NetClassLoaderSimple)obj;  
    }  
}

org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple类的setNetClassLoaderSimple方法接收一个Object类型參数,并将它强制转换成org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple类型。

2)、測试两个class是否同样

package classloader;  
   
public class NewworkClassLoaderTest {  
   
    public static void main(String[] args) {  
        try {  
            //測试载入网络中的class文件  
            String rootUrl = "http://localhost:8080/httpweb/classes";  
            String className = "org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple";  
            NetworkClassLoader ncl1 = new NetworkClassLoader(rootUrl);  
            NetworkClassLoader ncl2 = new NetworkClassLoader(rootUrl);  
            Class<?

> clazz1 = ncl1.loadClass(className); Class<?

> clazz2 = ncl2.loadClass(className); Object obj1 = clazz1.newInstance(); Object obj2 = clazz2.newInstance(); clazz1.getMethod("setNetClassLoaderSimple", Object.class).invoke(obj1, obj2); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } }


首先获得网络上一个class文件的二进制名称,然后通过自己定义的类载入器NetworkClassLoader创建两个实例,并依据网络地址分别载入这份class。并得到这两个ClassLoader实例载入后生成的Class实例clazz1和clazz2,最后将这两个Class实例分别生成详细的实例对象obj1和obj2,再通过反射调用clazz1中的setNetClassLoaderSimple方法。

3)、查看測试结果

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结论:从结果中能够看出。尽管是同一份class字节码文件,可是因为被两个不同的ClassLoader实例所载入,所以JVM觉得它们就是两个不同的类。

4、ClassLoader的体系架构:

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验证ClassLoader载入类的原理:

測试1:打印ClassLoader类的层次结构,请看以下这段代码:

ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();    //获得载入ClassLoaderTest.class这个类的类载入器  
while(loader != null) {  
    System.out.println(loader);  
    loader = loader.getParent();    //获得父类载入器的引用  
}  
System.out.println(loader);

打印结果:

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第一行结果说明:ClassLoaderTest的类载入器是AppClassLoader。

第二行结果说明:AppClassLoader的类加器是ExtClassLoader,即parent=ExtClassLoader。

第三行结果说明:ExtClassLoader的类加器是Bootstrap ClassLoader。由于Bootstrap ClassLoader不是一个普通的Java类,所以ExtClassLoader的parent=null。所以第三行的打印结果为null就是这个原因。

測试2:将ClassLoaderTest.class打包成ClassLoaderTest.jar,放到Extension ClassLoader的载入文件夹下(JAVA_HOME/jre/lib/ext),然后又一次执行这个程序,得到的结果会是什么样呢?

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打印结果:

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打印结果分析:

为什么第一行的结果是ExtClassLoader呢?

由于ClassLoader的托付模型机制,当我们要用ClassLoaderTest.class这个类的时候,AppClassLoader在试图载入之前,先托付给Bootstrcp ClassLoader。Bootstracp ClassLoader发现自己没找到,它就告诉ExtClassLoader,兄弟,我这里没有这个类。你去载入看看,然后Extension ClassLoader拿着这个类去它指定的类路径(JAVA_HOME/jre/lib/ext)试图载入。唉,它发如今ClassLoaderTest.jar这样一个文件里包括ClassLoaderTest.class这种一个文件。然后它把找到的这个类载入到内存其中,并生成这个类的Class实例对象,最后把这个实例返回。所以ClassLoaderTest.class的类载入器是ExtClassLoader。

第二行的结果为null。是由于ExtClassLoader的父类载入器是Bootstrap ClassLoader。

測试3:用Bootstrcp ClassLoader来载入ClassLoaderTest.class。有两种方式:

1、在jvm中加入-Xbootclasspath參数,指定Bootstrcp ClassLoader载入类的路径,并追加我们自已的jar(ClassTestLoader.jar)

2、将class文件放到JAVA_HOME/jre/classes/文件夹下(上面有提到)

方式1:(我用的是Eclipse开发工具,用命令行是在java命令后面加入-Xbootclasspath參数)

打开Run配置对话框:

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配置好如图中所述的參数后。又一次执行程序,产的结果例如以下所看到的:(类载入的过程。仅仅摘下了一部份)

打印结果:

[Loaded java.io.FileReader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded sun.nio.cs.StreamDecoder from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.ArrayList from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.lang.reflect.Array from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.Locale from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$Node from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.lang.CharacterDataLatin1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.io.ObjectStreamClass from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded sun.net.www.ParseUtil from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.BitSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.net.Parts from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.net.URLStreamHandler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded sun.net.www.protocol.file.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.util.HashSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded sun.net.www.protocol.jar.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader$1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Path C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]  
[Loaded classloader.ClassLoaderTest from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]  
null  //这是打印的结果  
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;  
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;  
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;  
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes;c:\ClassLoaderTest.jar    
//这一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));打印出来的。这个路径就是Bootstrcp ClassLoader默认搜索类的路径  
[Loaded java.lang.Shutdown from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
[Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.

方式2:将ClassLoaderTest.jar解压后。放到JAVA_HOME/jre/classes文件夹下,例如以下图所看到的:

提示:jre文件夹下默认没有classes文件夹。须要自己手动创建一个

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打印结果:

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从结果中能够看出。两种方式都实现了将ClassLoaderTest.class由Bootstrcp ClassLoader载入成功了。

四、定义自已的ClassLoader

既然JVM已经提供了默认的类载入器,为什么还要定义自已的类载入器呢?

由于Java中提供的默认ClassLoader,仅仅载入指定文件夹下的jar和class,假设我们想载入其他位置的类或jar时,比方:我要载入网络上的一个class文件,通过动态载入到内存之后,要调用这个类中的方法实现我的业务逻辑。在这种情况下,默认的ClassLoader就不能满足我们的需求了,所以须要定义自己的ClassLoader。

定义自已的类载入器分为两步:

1、继承java.lang.ClassLoader

2、重写父类的findClass方法

读者可能在这里有疑问,父类有那么多方法,为什么偏偏仅仅重写findClass方法?

由于JDK已经在loadClass方法中帮我们实现了ClassLoader搜索类的算法,当在loadClass方法中搜索不到类时,loadClass方法就会调用findClass方法来搜索类,所以我们仅仅需重写该方法就可以。如没有特殊的要求,一般不建议重写loadClass搜索类的算法。

下图是API中ClassLoader的loadClass方法:

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演示样例:自己定义一个NetworkClassLoader,用于载入网络上的class文件

ackage classloader;  
   
import java.io.ByteArrayOutputStream;  
import java.io.InputStream;  
import java.net.URL;  
   
/** 
 * 载入网络class的ClassLoader 
 */ 
public class NetworkClassLoader extends ClassLoader {  
       
    private String rootUrl;  
   
    public NetworkClassLoader(String rootUrl) {  
        this.rootUrl = rootUrl;  
    }  
   
    @Override 
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {  
        Class clazz = null;//this.findLoadedClass(name); // 父类已载入     
        //if (clazz == null) {  //检查该类是否已被载入过  
            byte[] classData = http://www.mamicode.com/getClassData(name);  //依据类的二进制名称,获得该class文件的字节码数组  "/" + name.replace(".", "/") + ".class";  
    }  
   
}

測试类:

package classloader;  
   
public class ClassLoaderTest {  
   
    public static void main(String[] args) {  
        try {  
            /*ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();  //获得ClassLoaderTest这个类的类载入器 
            while(loader != null) { 
                System.out.println(loader); 
                loader = loader.getParent();    //获得父载入器的引用 
            } 
            System.out.println(loader);*/ 
               
   
            String rootUrl = "http://localhost:8080/httpweb/classes";  
            NetworkClassLoader networkClassLoader = new NetworkClassLoader(rootUrl);  
            String classname = "org.classloader.simple.NetClassLoaderTest";  
            Class clazz = networkClassLoader.loadClass(classname);  
            System.out.println(clazz.getClassLoader());  
               
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
       
}

打印结果:

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下图是我机器上webserver的文件夹结构:

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眼下经常使用webserver中都定义了自己的类载入器。用于载入web应用指定文件夹下的类库(jar或class)。如:Weblogic、Jboss、tomcat等,以下我以Tomcat为例,展示该web容器都定义了哪些个类载入器:

1、新建一个webprojecthttpweb

2、新建一个ClassLoaderServletTest,用于打印web容器中的ClassLoader层次结构

import java.io.IOException;  
import java.io.PrintWriter;  
   
import javax.servlet.ServletException;  
import javax.servlet.http.HttpServlet;  
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;  
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;  
   
public class ClassLoaderServletTest extends HttpServlet {  
   
    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)  
            throws ServletException, IOException {  
   
        response.setContentType("text/html");  
        PrintWriter out = response.getWriter();  
        ClassLoader loader = this.getClass().getClassLoader();  
        while(loader != null) {  
            out.write(loader.getClass().getName()+"");  
            loader = loader.getParent();  
        }  
        out.write(String.valueOf(loader));  
        out.flush();  
        out.close();  
    }  
       
    public void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)  
            throws ServletException, IOException {  
        this.doGet(request, response);  
    }  
   
}

3、配置Servlet。并启动服务

<?

xml version="1.0" encoding="UTF-8"?

> <web-app version="2.4" xmlns="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:schemaLocation="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee http://java.sun.com/xml/ns/j2ee/web-app_2_4.xsd"> <servlet> <servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name> <servlet-class>ClassLoaderServletTest</servlet-class> </servlet> <servlet-mapping> <servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name> <url-pattern>/servlet/ClassLoaderServletTest</url-pattern> </servlet-mapping> <welcome-file-list> <welcome-file>index.jsp</welcome-file> </welcome-file-list> </web-app>


4、訪问Servlet,获得显示结果

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深入分析Java ClassLoader原理