Java類載入器詳解

weixin_33806914發表於2019-02-24
Java

Java虛擬機器中的類載入有三大步驟：，連結，初始化．其中載入是指查詢位元組流（也就是由Java編譯器生成的class檔案）並據此建立類的過程，這中間我們需要藉助類載入器來查詢位元組流．

Java虛擬機器預設類載入器

Java虛擬機器提供了3種類載入器，啟動（Bootstrap）類載入器、擴充套件（Extension）類載入器、應用（Application）類載入器.除了啟動類載入器外，其他的類載入器都是java.lang.ClassLoader的子類．啟動類載入器由C++語言實現，沒有對應的Java物件，它負責將 <JAVA_HOME>/lib路徑下的核心類庫或-Xbootclasspath引數指定的路徑下的jar包載入到記憶體中．擴充套件類載入器是指sun.misc.Launcher$ExtClassLoader類，由Java語言實現，是Launcher的靜態內部類，它負責載入<JAVA_HOME>/lib/ext目錄下或者由系統變數-Djava.ext.dir指定位路徑中的類庫，他的父類載入器是null．應用類載入器是指sun.misc.Launcher$AppClassLoader類，他負責載入應用程式路徑下的類，這裡路徑指java -classpath或-D java.class.path 指定的路徑，他的父類載入器是擴充套件類載入器.

注意這裡面的父子類載入器並不是繼承的關係，只是ClassLoader類中的parent屬性．我們來看Launcher類中建立擴充套件類載入器的程式碼：

public ExtClassLoader(File[] var1) throws IOException {
      super(getExtURLs(var1), (ClassLoader)null, Launcher.factory);
      SharedSecrets.getJavaNetAccess().getURLClassPath(this).initLookupCache(this);
    }

這裡設定了其父載入器為null．

雙親委派機制

Java虛擬機器在載入類時預設採用的是雙親委派機制，即當一個類載入器接收到載入請求時，會將請求轉發到父類載入器，如果父類載入器在路徑下沒有找到該類，才會交給子類載入器去載入．我們來看ClassLoader中laodClass方法：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先判斷類是否已載入過，載入過就直接返回
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        //有父類載入器，呼叫父載入器的loadClass
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        //呼叫Bootstrap Classloader
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    long t1 = System.nanoTime();
                    //到自己指定類載入路徑下查詢是否有class位元組碼
                    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;
        }
    }

通過這種層級我們可以避免類的重複載入，當父親已經載入了該類時，就沒有必要子類載入器再載入一次。其次也考慮到安全因素，比如我們自己寫一個java.lang.String的類，通過雙親委派機制傳遞到啟動類載入器，而啟動類載入器在核心Java API發現這個名字的類，發現該類已被載入，並不會重新載入我們新寫的java.lang.String，而直接返回已載入過的String.class，這樣保證生成的物件是同一種型別．

自定義類載入器

除了jvm自身提供的類載入器，我們還可以自定義類載入器，我們先寫一個Person類

public class Person {

  private int age;

  private String name;

  //省略getter/setter方法
}

我們先看他是由哪個類載入器載入的．

public class TestJava {

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    Person person = new Person();
    System.out.println("person是由" + person.getClass().getClassLoader() + "載入的");
  }
}

執行結果如下：
圖片描述

我們把Person.class放置在其他目錄下

圖片描述

再執行會發生什麼，在上面的loadClass方法中其實已經有了答案，會丟擲ClassNotFoundException，因為在指定路徑下查詢不到位元組碼．

我們現在寫一個自定義的類載入器，讓他能夠去載入person類，很簡單，我們只需要繼承ClassLoader並重寫findClass方法，這裡面寫查詢位元組碼的邏輯．

public class PersonCustomClassLoader extends ClassLoader {

  private String classPath;

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

  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);
      return defineClass(name, data, 0, data.length);
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
      throw new ClassNotFoundException();
    }
  }
}

我們來測試一下：

public class TestJava {

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    PersonCustomClassLoader classLoader = new PersonCustomClassLoader("/home/shenxinjian");
    Class<?> pClass = classLoader.loadClass("me.shenxinjian.algorithm.Person");
    System.out.println("person是由" + pClass.getClassLoader() + "類載入器載入的");

  }
}

測試結果如下：
圖片描述

編寫自定義類載入器的意義

  • 當class檔案不在classPath路徑下，如上面那種情況，預設系統類載入器無法找到該class檔案，在這種情況下我們需要實現一個自定義的classLoader來載入特定路徑下的class檔案來生成class物件。
  • 當一個class檔案是通過網路傳輸並且可能會進行相應的加密操作時，需要先對class檔案進行相應的解密後再載入到JVM記憶體中，這種情況下也需要編寫自定義的ClassLoader並實現相應的邏輯

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