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java类加载

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类加载是什么

把磁盘中的java文件加载到内存中的过程叫做类加载

当我们用java命令运行某个类的main函数启动程序时,首先需要通过类加载器把主类加载到JVM. 有如下 User 类

package dc.dccmmtop;
public Class User {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello");
    }
}

运行 java dc.dccmmtop.User 时, 先要找到 User.Class 文件,查找全路径就是 Class_PATH + {{package name}},对于User类来说,就是 {$Class_APTH}/dc/dccmmtop.User.Class

假如 User.java 在F:\code, 并且不在Class_PATH 下,可以通过 java -Classpath "F:\code" 临时指定。

加载类之后还有后续的步骤:

这篇文章主要来讲讲类加载

类加载器

不了解类加载机制的,可能就认为,只需找到java文件所在的磁盘位置,然后进行一次读文件的操作不就完成了加载嘛,其实远非如此。

总有一个加载类的工具,这个工具叫做类加载器,在java代码中可以通过如下方式获取当前类的类加载器是什么

package dccmmtop;  
  
public Class User {  
    public static void main(String[] args) {  
        System.out.println("hello");  
        System.out.println(User.Class.getClassLoader()); 
    }  
}

如图可以看到类加载器的名字叫做 AppClassLoader

我们全局搜索一下这个类,会发现在 sun.misc.Launcher.java 文件中找到。 

那么这个AppClassLoader 本身也是一个 java 文件,它又是什么时候被加载并初始化的呢?

我们滚动到文件顶部,看到 Launcher 类的构造方法部分:

标记1 和标记2 实现了一个单例模式,在5 处获取到了 AppClassLoader 实例。也就是说在某一个地方通过调用 Launcher 类中的 getLauncher() 方法,会得到 AppClassLoader 实例, 那么 getLauncher() 方法又是在哪里调用的呢?追踪到这里已经无法在java代码中找到上一步了,其实这个方法是jvm (c++实现)调用的,如下图:

以上就是类加载的主要步骤了。下面看一下双亲委派机制

双亲委派机制

我们继续看AppClassLoader 实例化的过程:

在5处,实例化了一个AppClassLoader的对象,同时传进去了一个参数 var1, 这个 var1 是另外一个类加载器ExtClassLoader , 我们在进入 getAppClassLoader 方法看一看是怎么实现的:

先看一下 几个ClassLoad的继承关系:

有上面的继承关系图可以看出来,AppClassLoader 和 ExtClassLoader 都是从 ClassLoader 继承来的。

在 Launcher() 中可知,调用 AppClassLoader.getAppClassLoader() 方法时, 把 ExtClassLoader 的实例作为参数传递进来,最终到4这一步,作为 var2 参数,调用父类的构造方法,继续追踪父类的构造方法直到 ClassLoader : 

在 ClassLoader 构造方法中,维护了一个 parent 变量,到此我们知道了 AppClassLoader 中 parent 变量保存的是 ExtClassLoader的实例, 如下图表示

继续看Launcher 构造方法: 

loadClass() 方法将 Class 文件加载到jvm中,我们跟踪一下这个方法,会发现最后会调到 根类ClassLoader 中:

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)  
    throws ClassNotFoundException  
{  
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {  
        // First, check if the Class has already been loaded  
        Class<?> c = findLoadedClass(name);  
        if (c == null) {  
            long t0 = System.nanoTime();  
            try {  
                if (parent != null) {  
                    c = parent.loadClass(name, false);  
                } else {  
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);  
                }  
            } catch (ClassNotFoundException e) {  
                // ClassNotFoundException thrown if Class not found  
                // from the non-null parent Class loader            }  
  
            if (c == null) {  
                // If still not found, then invoke findClass in order  
                // to find the Class.                long t1 = System.nanoTime();  
                c = findClass(name);  
  
                // this is the defining Class loader; record the stats  
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);  
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);  
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();  
            }  
        }  
        if (resolve) {  
            resolveClass(c);  
        }  
        return c;  
    }  
}

上面代码块中的弟6行,findLoadedClass() , 先从已加载到的类集合中查找有没有这个类,如果有的话,直接返回,没有再进行下一步, findLoadedClass 方法源码如下:

到 native finnal Class<?> findLoadedClass0(String name); 这里已经无法在向后追踪了,看到 naive ,要明白 使用native关键字说明这个方法是原生函数,也就是这个方法是用C/C++语言实现的,并且被编译成了DLL,由java去调用.

此时 User.Class 是第一次加载,AppClassLoader 中肯定无法在已加载的集合中找到,所以继续向下走到第 10,11 行. 上面已经分析过,AppClassLoader 中的 parent 是 ExtClassLoader , 所以在11行由 ExtClassLoader 的实例执行 laodClass 方法。 ExtClassLoader 没有覆写根类ClassLoader 的loaderClass 方法,所以也会到这里,只不过 ExtClassLoader 的 parent 是 NUll, 会走到13行,调用findBootstrapClassOrNull() 方法,再看一下这个方法的实现:

 会发现这个方法也是C++实现的,虽然我们无法看到源码,但是根据注释可以知道,这个是保存了启动类加载器加载过的类。

到此为止,我们已经见识过3中不同的类加载器了:

我们先不管这个后面两个类加载器是什么, 假定他们也找不到 User.Class. 继续向下看:

执行到第21行findClas()这里,再看源码 

在A-2 这一步,ucp 其实保存的就是当前 ClassLoader 的类加载路径,就不再展开。要记住此时的 ClassLoader 是 ExtClassLoader, 假如仍然找不到User.Class 会执行到 A-3.然后返回到 loadClass 方法中, 此时 c 是空,继续执行到33行,返回到 AppClassLoader 调用 parent.getAppClassLoader 处,在 AppClassLoader 实例的范围下继续向后执行,然后再继续调用 findClass 方法,如果在AppClassLoader的类加载路径中找到User.Class 文件,就会 执行 defindClass(name,res) 方法去加载类文件了。

整个过程用文字描述起来比较复杂,来张图就很清楚了,为什么叫做双亲委派: 

把 loadedClassList 集合称作缓存:

双亲指的是 ExtClassLoader 和 BootStrapClassLoader, AppClassLoader 先不加载,而是向上让其“父”加载,父加载不到时,自己再加载。这里的父不是父类,而是调用层级的关系。

是时候介绍一下 这三个类加载器

BootStrapClassLoader

引导类加载器

负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的核心类库,比如 rt.jar、charsets.jar等

ExtClassLoader

扩展类加载器

负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR 类包

AppClassLoader

应用程序加载器

负责加载ClassPath路径下的类包,主要就是加载你自己写的那些类

我们可以写代码验证一下:

package dccmmtop;  
import sun.misc.Launcher;  
import java.net.URL;  
public Class User {  
    public static void main(String[] args) {  
        System.out.println(String.Class.getClassLoader()); // null  
        System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.Class.getClassLoader().getClass().getName()); //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader  
        System.out.println(User.Class.getClassLoader().getClass().getName()); // sun.misc.Launcher$AppClassLoader
        System.out.println();  
        System.out.println("bootstrapLoader加载以下文件:");
        URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
            System.out.println(urls[i]);
        }
        System.out.println();
        System.out.println("extClassloader加载以下文件:");
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
        System.out.println();
        System.out.println("appClassLoader加载以下文件:");
        System.out.println(System.getProperty("java.Class.path")); 
    }
}

输入如下:

null // 因为调用了 c++ 实现。无法获取到java对象
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader

the bootstrapLoader : null
the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@77459877
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

bootstrapLoader加载以下文件:
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/jfr.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/Classes

extClassloader加载以下文件:
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\ext;C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext

appClassLoader加载以下文件:
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\deploy.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\ext\cldrdata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\ext\jaccess.jar;...省略

为什么使用双亲委派机制

全盘负责委托机制

“全盘负责”是指当一个ClassLoder装载一个类时,除非显示的使用另外一个ClassLoder,该类
所依赖及引用的类也由这个ClassLoder载入

自定义类加载器

从上述源码的描述可知,类加载器的核心方法是 findClass , 和 defineClass 。

defindClass 将class文件从磁盘加载文件到内存,defineClass 开始解析class文件: 

所以自定义类加载器只需继承 ClassLoader,然后从写 findClass 文件就行了:

目录如下: 

App.java:

import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;

public class App {
    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;

        public MyClassLoader(String classPath) {
            this.classPath = classPath;
        }

        // 从磁盘加载文件
        private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        // 重写
        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                // defineClass将一个字节数组转为Class对象,这个字节数组是class文件读取后最终的字节 数组。
                return defieClass(name, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }
    }
    public static void main(String args[]) throws Exception {
        // 初始化自定义类加载器,会先初始化父类ClassLoader,其中会把自定义类加载器的父加载 器设置为应用程序类加载器AppClassLoader
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/dc_code/java"); // D盘创建
        // 创建 io/dc 几级目录,将User类的复制类User.class丢入该目录
        Class clazz = classLoader.loadClass("io.dc.User");
        Object obj = clazz.newInstance();
        // 使用反射调用 User 类的 sout 方法
        Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
        method.invoke(obj, null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

打破双亲委派机制

经过上面的源码分析发现,主要是 ClassLoader 类中的laodClass 方法来实现的双亲委派机制,自己不加载而是先让其父加载。

所以直接复写 loadClass 方法即可,不再指定父级加载,当前类直接加载,如下:

import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;

public class App {
    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;

        public MyClassLoader(String classPath) {
            this.classPath = classPath;
        }

        // 从磁盘加载文件
        private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                // defineClass将一个字节数组转为Class对象,这个字节数组是class文件读取后最终的字节 数组。
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }

        protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {

            synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
                // First, check if the class has already been loaded
                Class<?> c = findLoadedClass(name);
                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    if (name.startsWith("io.dc")) {
                        // 直接查找, 限定包名
                        c = findClass(name);
                    } else {
                        // 其他包中的类还是使用双亲委派机制
                        // 否则会报找不到 Object 类
                        c = this.getParent().loadClass(name);
                    }
                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }
    }

    public static void main(String args[]) throws Exception {
        // 初始化自定义类加载器,会先初始化父类ClassLoader,其中会把自定义类加载器的父加载 器设置为应用程序类加载器AppClassLoader
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/dc_code/java"); // D盘创建
        // 创建 io/dc 几级目录,将User类的复制类User.class丢入该目录
        Class clazz = classLoader.loadClass("io.dc.User");
        Object obj = clazz.newInstance();
        // 使用反射调用 User 类的 sout 方法
        Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
        method.invoke(obj, null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

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