Java类加载器(ClassLoader)

Posted by Gityuan on January 24, 2016

本文主要讲述Java ClassLoader的工作原理,这为后面将Android App代码热替换或者插件化升级做铺垫

一、 类加载器

ClassLoader即常说的类加载器,其功能是用于从Class文件加载所需的类,主要场景用于热部署、代码热替换等场景。

系统提供3种的类加载器:Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader、Application ClassLoader

1.1 Bootstrap ClassLoader

启动类加载器,一般由C++实现,是虚拟机的一部分。该类加载器主要职责是将JAVA_HOME路径下的\lib目录中能被虚拟机识别的类库(比如rt.jar)加载到虚拟机内存中。Java程序无法直接引用该类加载器

1.2 Extension ClassLoader

扩展类加载器,由Java实现,独立于虚拟机的外部。该类加载器主要职责将JAVA_HOME路径下的\lib\ext目录中的所有类库,开发者可直接使用扩展类加载器。 该加载器是由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。

1.3 Application ClassLoader

应用程序类加载器,该加载器是由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现,该类加载器负责加载用户类路径上所指定的类库。开发者可通过ClassLoader.getSystemClassLoader()方法直接获取,故又称为系统类加载器。当应用程序没有自定义类加载器时,默认采用该类加载器。

ClassLoader.java

public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
    initSystemClassLoader(); //初始化系统类加载器 【见下文】
    if (scl == null) {
        return null;
    }
    SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
    if (sm != null) {
        ClassLoader ccl = getCallerClassLoader();
        if (ccl != null && ccl != scl && !scl.isAncestor(ccl)) {
            sm.checkPermission(SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);
        }
    }
    return scl;
}

系统类加载器初始化:

private static synchronized void initSystemClassLoader() {
    if (!sclSet) {
        if (scl != null)
            throw new IllegalStateException("recursive invocation");
        sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher();
        if (l != null) {
            Throwable oops = null;
            scl = l.getClassLoader();
            try {
                scl = AccessController.doPrivileged(
                    new SystemClassLoaderAction(scl));
            } catch (PrivilegedActionException pae) {
                oops = pae.getCause();
                if (oops instanceof InvocationTargetException) {
                    oops = oops.getCause();
                }
            }
            if (oops != null) {
                if (oops instanceof Error) {
                    throw (Error) oops;
                } else {
                    throw new Error(oops);
                }
            }
        }
        sclSet = true;
    }
}

二、双亲委派模型

ClassLoader的双亲委派模型中,各个ClassLoader之间的关系是通过组合关系来复用父加载器。当一个ClassLoader收到来类加载的请求,首先把该请求委派该父类ClassLoader处理,当父类ClassLoader无法处理时,才由当前类ClassLoader来处理。对于每个ClassLoader这个方式,也就是父类的优先于子类处理类加载的请求,那么也就是说任何一个请求第一次处理的便是最顶层的Bootstrap ClassLoader(启动类加载器)。

类加载器的层级查找顺序依次为:启动类加载器,扩展类加载器,系统类加载器。系统类加载器是默认的应用程序类加载器。

classloader

这样的好处是不同层次的类加载器具有不同优先级,比如所有Java对象的超级父类java.lang.Object,位于rt.jar,无论哪个类加载器加载该类,最终都是由启动类加载器进行加载,保证安全。即使用户自己编写一个java.lang.Object类并放入程序中,虽能正常编译,但不会被加载运行,保证不会出现混乱。那么有人会继续追问,如果自己再自定义一个类加载器来加载自己定义的java.lang.Object类呢? 这样做也是不会成功的,虚拟机将会抛出一异常。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        //检查该类是否已经加载过
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            //如果该类没有加载,则进入该分支
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    //当父类的加载器不为空,则通过父类的loadClass来加载该类
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    //当父类的加载器为空,则调用启动类加载器来加载该类
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                //非空父类的类加载器无法找到相应的类,则抛出异常
            }

            if (c == null) {
                //当父类加载器无法加载时,则调用findClass方法来加载该类
                long t1 = System.nanoTime();
                c = findClass(name); //用户可通过覆写该方法,来自定义类加载器

                //用于统计类加载器相关的信息
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            //对类进行link操作
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

当开发者需要自定义类加载器时,可通过覆写loadClass()方法或者findClass()。

三、自定义类加载器

每一个ClassLoader都拥有自己独立的类名称空间,类是由ClassLoader将其加载到Java虚拟机中,故类是由加载它的ClassLoader和该类本身一起确定其在Java 运行时环境的唯一性。故只有同一个ClassLoader加载的同一个类,才能算是Java 运行时环境中的相同的两个类。哪怕是来自同一个Class文件,即使被同一个虚拟机加载的两个类,只要ClassLoader不同,那么也属于不同的类。对于equals()、isinstanceof()等方法来判断对象的相等或所属关系都是需要基于同一个ClassLoader。

自定义类加载器示例:

package com.yuanhh.classloader;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class ClassLoadDemo{

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ClassLoader clazzLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    String clazzName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";

                    InputStream is = getClass().getResourceAsStream(clazzName);
                    if (is == null) {
                        return super.loadClass(name);
                    }
                    byte[] b = new byte[is.available()];
                    is.read(b);
                    return defineClass(name, b, 0, b.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException(name);
                }
            }
        };

        String currentClass = "com.yuanhh.classloader.ClassLoadDemo";
        Class<?> clazz = clazzLoader.loadClass(currentClass);
        Object obj = clazz.newInstance();

        System.out.println(obj.getClass());
        System.out.println(obj instanceof com.yuanhh.classloader.ClassLoadDemo);
    }
}

上面代码的输出结果:

class com.yuanhh.classloader.ClassLoadDemo
false

输出结果的第一行,可以看出这个对象的确是com.yuanhh.classloader.ClassLoadDemo实例化的对象;但第二句是false,这是由于代码中的obj是由用户自定义的类加载器clazzLoader来加载的,可通过obj.getClass().getClassLoader()获取该对象的类加载器为com.yuanhh.classloader.ClassLoadDemo$xxx,而虚拟机本身会由系统类加载器加载的类ClassLoadDemo,可通过ClassLoadDemo.class.getClassLoader()得其类加载器为sun.misc.Launcher$AppClassLoader@XXX。所以可得出结论:即使都是来自同一个Class文件,加载器不同,仍然是两个不同的类,所以返回值是false。

通过Class.forName()方法加载的类,采用的是系统类加载器。

四、 经典应用场景

  • Tomcat,类加载器架构,自己定义了多个类加载器,
    • 保证了同一个服务器的两个Web应用程序的Java类库隔离;
    • 保证了同一个服务器的两个Web应用程序的Java类库又可以相互共享;比如多个Spring组织的应用程序不能共享,会造成资源浪费;
    • 保证了服务器尽可能保证自身的安全不受不受部署Web应用程序影响;
    • 支持JSP应用的服务器,大多需要支持热替换(HotSwap)功能。
  • OSGi(Open Service GateWay Initiative),是基于Java语言的动态模块化规范。已成为Java世界的“事实上”的模块化标准,最为熟悉的案例的Eclipse IDE。

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