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java 类加载ClassLoad

2022年08月05日 19:22:19Java技术2

本文转载自http://blog.csdn.net/xyang81/article/details/7292380

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,当程序在运行时,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文件当中,所以经常要从这个class文件中要调用另外一个class文件中的方法,如果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,并不会一次性加载程序所要用的所有class文件,而是根据程序的需要,通过Java的类加载机制(ClassLoader)来动态加载某个class文件到内存当中的,从而只有class文件被载入到了内存之后,才能被其它class所引用。所以ClassLoader就是用来动态加载class文件到内存当中用的。

 

二、Java默认提供的三个ClassLoader

  1. BootStrap ClassLoader:称为启动类加载器,是Java类加载层次中最顶层的类加载器,负责加载JDK中的核心类库,如:rt.jar、resources.jar、charsets.jar等,可通过如下程序获得该类加载器从哪些地方加载了相关的jar或class文件:
    [java]  view plain   copy
    1. URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();  
    2. for (int i = 0; i < urls.length; i++) {  
    3.     System.out.println(urls[i].toExternalForm());  
    4. }  
    以下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/
    其实上述结果也是通过查找sun.boot.class.path这个系统属性所得知的。
    [java]  view plain   copy
    1. 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:称为扩展类加载器,负责加载Java的扩展类库,默认加载JAVA_HOME/jre/lib/ext/目下的所有jar。
  3. App ClassLoader:称为系统类加载器,负责加载应用程序classpath目录下的所有jar和class文件。

        注意: 除了Java默认提供的三个ClassLoader之外,用户还可以根据需要定义自已的ClassLoader,而这些自定义的ClassLoader都必须继承自java.lang.ClassLoader类,也包括Java提供的另外二个ClassLoader(Extension ClassLoader和App ClassLoader)在内,但是Bootstrap ClassLoader不继承自ClassLoader,因为它不是一个普通的Java类,底层由C++编写,已嵌入到了JVM内核当中,当JVM启动后,Bootstrap ClassLoader也随着启动,负责加载完核心类库后,并构造Extension ClassLoader和App ClassLoader类加载器。

 

三、ClassLoader加载类的原理

 1、原理介绍

       ClassLoader使用的是双亲委托模型来搜索类的,每个ClassLoader实例都有一个父类加载器的引用(不是继承的关系,是一个包含的关系),虚拟机内置的类加载器(Bootstrap ClassLoader)本身没有父类加载器,但可以用作其它ClassLoader实例的的父类加载器。当一个ClassLoader实例需要加载某个类时,它会试图亲自搜索某个类之前,先把这个任务委托给它的父类加载器,这个过程是由上至下依次检查的,首先由最顶层的类加载器Bootstrap ClassLoader试图加载,如果没加载到,则把任务转交给Extension ClassLoader试图加载,如果也没加载到,则转交给App ClassLoader 进行加载,如果它也没有加载得到的话,则返回给委托的发起者,由它到指定的文件系统或网络等URL中加载该类。如果它们都没有加载到这个类时,则抛出ClassNotFoundException异常。否则将这个找到的类生成一个类的定义,并将它加载到内存当中,最后返回这个类在内存中的Class实例对象。

 

2、为什么要使用双亲委托这种模型呢?

       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。


3、 但是JVM在搜索类的时候,又是如何判定两个class是相同的呢?

     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。比如网络上的一个Java类org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple,javac编译之后生成字节码文件NetClassLoaderSimple.class,ClassLoaderA和ClassLoaderB这两个类加载器并读取了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,如果试图将这个Class实例生成具体的对象进行转换时,就会抛运行时异常java.lang.ClassCaseException,提示这是两个不同的类型。现在通过实例来验证上述所描述的是否正确:


1)、在web服务器上建一个org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple.java类

[java]  view plain   copy
  1. package org.classloader.simple;  
  2.   
  3. public class NetClassLoaderSimple {  
  4.       
  5.     private NetClassLoaderSimple instance;  
  6.   
  7.     public void setNetClassLoaderSimple(Object obj) {  
  8.         this.instance = (NetClassLoaderSimple)obj;  
  9.     }  
  10. }  

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


2)、测试两个class是否相同( NetWorkClassLoader.java

[java]  view plain   copy
  1. package classloader;  
  2.   
  3. public class NewworkClassLoaderTest {  
  4.   
  5.     public static void main(String[] args) {  
  6.         try {  
  7.             //测试加载网络中的class文件  
  8.             String rootUrl = "http://localhost:8080/httpweb/classes";  
  9.             String className = "org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple";  
  10.             NetworkClassLoader ncl1 = new NetworkClassLoader(rootUrl);  
  11.             NetworkClassLoader ncl2 = new NetworkClassLoader(rootUrl);  
  12.             Class<?> clazz1 = ncl1.loadClass(className);  
  13.             Class<?> clazz2 = ncl2.loadClass(className);  
  14.             Object obj1 = clazz1.newInstance();  
  15.             Object obj2 = clazz2.newInstance();  
  16.             clazz1.getMethod("setNetClassLoaderSimple", Object.class).invoke(obj1, obj2);  
  17.         } catch (Exception e) {  
  18.             e.printStackTrace();  
  19.         }  
  20.     }  
  21.       
  22. }  
首先获得网络上一个class文件的二进制名称,然后通过自定义的类加载器NetworkClassLoader创建两个实例,并根据网络地址分别加载这份class,并得到这两个ClassLoader实例加载后生成的Class实例clazz1和clazz2,最后将这两个Class实例分别生成具体的实例对象obj1和obj2,再通过反射调用clazz1中的setNetClassLoaderSimple方法。


3)、查看测试结果

结论:从结果中可以看出,虽然是同一份class字节码文件,但是由于被两个不同的ClassLoader实例所加载,所以JVM认为它们就是两个不同的类。


4、ClassLoader的体系架构:

 

验证ClassLoader加载类的原理:

测试1:打印ClassLoader类的层次结构,请看下面这段代码:

[java]  view plain   copy
  1. ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();    //获得加载ClassLoaderTest.class这个类的类加载器  
  2. while(loader != null) {  
  3.     System.out.println(loader);  
  4.     loader = loader.getParent();    //获得父类加载器的引用  
  5. }  
  6. System.out.println(loader);  

打印结果:

 

第一行结果说明:ClassLoaderTest的类加载器是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,因为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。

 

测试2:将ClassLoaderTest.class打包成ClassLoaderTest.jar,放到Extension ClassLoader的加载目录下(JAVA_HOME/jre/lib/ext),然后重新运行这个程序,得到的结果会是什么样呢?

 

打印结果:

 

打印结果分析:

为什么第一行的结果是ExtClassLoader呢?

      因为ClassLoader的委托模型机制,当我们要用ClassLoaderTest.class这个类的时候,AppClassLoader在试图加载之前,先委托给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,你去加载看看,然后Extension ClassLoader拿着这个类去它指定的类路径(JAVA_HOME/jre/lib/ext)试图加载,唉,它发现在ClassLoaderTest.jar这样一个文件中包含ClassLoaderTest.class这样的一个文件,然后它把找到的这个类加载到内存当中,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的类加载器是ExtClassLoader。

 

第二行的结果为null,是因为ExtClassLoader的父类加载器是Bootstrap ClassLoader。

 

测试3:用Bootstrcp ClassLoader来加载ClassLoaderTest.class,有两种方式:

1、在jvm中添加-Xbootclasspath参数,指定Bootstrcp ClassLoader加载类的路径,并追加我们自已的jar(ClassTestLoader.jar)

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

方式1:(我用的是Eclipse开发工具,用命令行是在java命令后面添加-Xbootclasspath参数)

打开Run配置对话框:

配置好如图中所述的参数后,重新运行程序,产的结果如下所示:(类加载的过程,只摘下了一部份)

打印结果:

[java]  view plain   copy
  1. [Loaded java.io.FileReader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  2. [Loaded sun.nio.cs.StreamDecoder from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  3. [Loaded java.util.ArrayList from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  4. [Loaded java.lang.reflect.Array from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  5. [Loaded java.util.Locale from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  6. [Loaded java.util.concurrent.ConcurrentMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  7. [Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  8. [Loaded java.util.concurrent.locks.Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  9. [Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  10. [Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  11. [Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  12. [Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  13. [Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  14. [Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  15. [Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$Node from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  16. [Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  17. [Loaded java.lang.CharacterDataLatin1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  18. [Loaded java.io.ObjectStreamClass from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  19. [Loaded sun.net.www.ParseUtil from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  20. [Loaded java.util.BitSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  21. [Loaded java.net.Parts from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  22. [Loaded java.net.URLStreamHandler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  23. [Loaded sun.net.www.protocol.file.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  24. [Loaded java.util.HashSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  25. [Loaded sun.net.www.protocol.jar.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  26. [Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  27. [Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader$1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  28. [Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  29. [Path C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]  
  30. [Loaded classloader.ClassLoaderTest from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]  
  31. null  //这是打印的结果  
  32. C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;  
  33. C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;  
  34. C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;  
  35. C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes;c:\ClassLoaderTest.jar    
  36. //这一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));打印出来的。这个路径就是Bootstrcp ClassLoader默认搜索类的路径  
  37. [Loaded java.lang.Shutdown from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  
  38. [Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]  

方式2:将ClassLoaderTest.jar解压后,放到JAVA_HOME/jre/classes目录下,如下图所示:

提示:jre目录下默认没有classes目录,需要自己手动创建一个

打印结果:

从结果中可以看出,两种方式都实现了将ClassLoaderTest.class由Bootstrcp ClassLoader加载成功了。

 

四、定义自已的ClassLoader

既然JVM已经提供了默认的类加载器,为什么还要定义自已的类加载器呢?

      因为Java中提供的默认ClassLoader,只加载指定目录下的jar和class,如果我们想加载其它位置的类或jar时,比如:我要加载网络上的一个class文件,通过动态加载到内存之后,要调用这个类中的方法实现我的业务逻辑。在这样的情况下,默认的ClassLoader就不能满足我们的需求了,所以需要定义自己的ClassLoader。

定义自已的类加载器分为两步:

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,为什么偏偏只重写findClass方法?

      因为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,所以我们只需重写该方法即可。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:



示例:自定义一个NetworkClassLoader,用于加载网络上的class文件

[java]  view plain   copy
  1. package classloader;  
  2.   
  3. import java.io.ByteArrayOutputStream;  
  4. import java.io.InputStream;  
  5. import java.net.URL;  
  6.   
  7. /** 
  8.  * 加载网络class的ClassLoader 
  9.  */  
  10. public class NetworkClassLoader extends ClassLoader {  
  11.       
  12.     private String rootUrl;  
  13.   
  14.     public NetworkClassLoader(String rootUrl) {  
  15.         this.rootUrl = rootUrl;  
  16.     }  
  17.   
  18.     @Override  
  19.     protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {  
  20.         Class clazz = null;//this.findLoadedClass(name); // 父类已加载     
  21.         //if (clazz == null) {  //检查该类是否已被加载过  
  22.             byte[] classData = getClassData(name);  //根据类的二进制名称,获得该class文件的字节码数组  
  23.             if (classData == null) {  
  24.                 throw new ClassNotFoundException();  
  25.             }  
  26.             clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length);  //将class的字节码数组转换成Class类的实例  
  27.         //}   
  28.         return clazz;  
  29.     }  
  30.   
  31.     private byte[] getClassData(String name) {  
  32.         InputStream is = null;  
  33.         try {  
  34.             String path = classNameToPath(name);  
  35.             URL url = new URL(path);  
  36.             byte[] buff = new byte[1024*4];  
  37.             int len = -1;  
  38.             is = url.openStream();  
  39.             ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();  
  40.             while((len = is.read(buff)) != -1) {  
  41.                 baos.write(buff,0,len);  
  42.             }  
  43.             return baos.toByteArray();  
  44.         } catch (Exception e) {  
  45.             e.printStackTrace();  
  46.         } finally {  
  47.             if (is != null) {  
  48.                try {  
  49.                   is.close();  
  50.                } catch(IOException e) {  
  51.                   e.printStackTrace();  
  52.                }  
  53.             }  
  54.         }  
  55.         return null;  
  56.     }  
  57.   
  58.     private String classNameToPath(String name) {  
  59.         return rootUrl + "/" + name.replace(".""/") + ".class";  
  60.     }  
  61.   
  62. }  
测试类:

[java]  view plain   copy
  1. package classloader;  
  2.   
  3. public class ClassLoaderTest {  
  4.   
  5.     public static void main(String[] args) {  
  6.         try {  
  7.             /*ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();  //获得ClassLoaderTest这个类的类加载器 
  8.             while(loader != null) {  
  9.                 System.out.println(loader); 
  10.                 loader = loader.getParent();    //获得父加载器的引用 
  11.             } 
  12.             System.out.println(loader);*/  
  13.               
  14.   
  15.             String rootUrl = "http://localhost:8080/httpweb/classes";  
  16.             NetworkClassLoader networkClassLoader = new NetworkClassLoader(rootUrl);  
  17.             String classname = "org.classloader.simple.NetClassLoaderTest";  
  18.             Class clazz = networkClassLoader.loadClass(classname);  
  19.             System.out.println(clazz.getClassLoader());  
  20.               
  21.         } catch (Exception e) {  
  22.             e.printStackTrace();  
  23.         }  
  24.     }  
  25.       
  26. }  
打印结果:



下图是我机器上web服务器的目录结构:



目前常用web服务器中都定义了自己的类加载器,用于加载web应用指定目录下的类库(jar或class),如:Weblogic、Jboss、tomcat等,下面我以Tomcat为例,展示该web容器都定义了哪些个类加载器:

1、新建一个web工程httpweb

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

[java]  view plain   copy
  1. import java.io.IOException;  
  2. import java.io.PrintWriter;  
  3.   
  4. import javax.servlet.ServletException;  
  5. import javax.servlet.http.HttpServlet;  
  6. import javax.servlet.http.HttpServletRequest;  
  7. import javax.servlet.http.HttpServletResponse;  
  8.   
  9. public class ClassLoaderServletTest extends HttpServlet {  
  10.   
  11.     public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)  
  12.             throws ServletException, IOException {  
  13.   
  14.         response.setContentType("text/html");  
  15.         PrintWriter out = response.getWriter();  
  16.         ClassLoader loader = this.getClass().getClassLoader();  
  17.         while(loader != null) {  
  18.             out.write(loader.getClass().getName()+"<br/>");  
  19.             loader = loader.getParent();  
  20.         }  
  21.         out.write(String.valueOf(loader));  
  22.         out.flush();  
  23.         out.close();  
  24.     }  
  25.       
  26.     public void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)  
  27.             throws ServletException, IOException {  
  28.         this.doGet(request, response);  
  29.     }  
  30.   
  31. }  

3、配置Servlet,并启动服务

[html]  view plain   copy
  1. <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>  
  2. <web-app version="2.4"   
  3.     xmlns="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee"   
  4.     xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"   
  5.     xsi:schemaLocation="http://java.sun.com/xml/ns/j2ee   
  6.     http://java.sun.com/xml/ns/j2ee/web-app_2_4.xsd">  
  7.   <servlet>  
  8.     <servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>  
  9.     <servlet-class>ClassLoaderServletTest</servlet-class>  
  10.   </servlet>  
  11.   
  12.   <servlet-mapping>  
  13.     <servlet-name>ClassLoaderServletTest</servlet-name>  
  14.     <url-pattern>/servlet/ClassLoaderServletTest</url-pattern>  
  15.   </servlet-mapping>  
  16.   <welcome-file-list>  
  17.     <welcome-file>index.jsp</welcome-file>  
  18.   </welcome-file-list>  
  19. </web-app>  

4、访问Servlet,获得显示结果


81

作者:jobinZhang
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