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Java中的類加載器

 看風(fēng)景D人 2016-10-07

首先聲明，我是因為看了ImportNew網(wǎng)站上的幾篇關(guān)于類加載器的文章之后，才萌生了寫這篇文章的想法。所以在寫這篇文章時，參考了該網(wǎng)站上的幾篇相關(guān)的文章，但是加入了很多自己的理解，絕對不是抄襲。



從java的動態(tài)性到類加載機制


我們知道，Java是一種動態(tài)語言。那么怎樣理解這個“動態(tài)”呢？或者說一門語言具備了什么特性，才能稱之為動態(tài)語言呢？對于java，我是這樣理解的。


我們都知道JVM（java虛擬機）執(zhí)行的不是本地機器碼指令，而是執(zhí)行一種稱之為字節(jié)碼的指令（存在于class文件中）。這就要求虛擬機在真正執(zhí)行字節(jié)碼之前，先把相關(guān)的class文件加載到內(nèi)存中。虛擬機不是一次性加載所有需要的class文件，因為它在執(zhí)行的時候根本不會知道以后會用到哪些class文件。它是每用到一個類，就會在運行時“動態(tài)地”加載和這個類相關(guān)的class文件。這就是java被稱之為動態(tài)性語言的根本原因。除了動態(tài)加載類之外，還會動態(tài)的初始化類，對類進行動態(tài)鏈接。動態(tài)初始化和動態(tài)鏈接放在其他文章中進行介紹。本文中只關(guān)心類的加載。


在JVM中負(fù)責(zé)對類進行加載的正是本文要介紹的類加載器（ClassLoader），所以，類加載器是JVM不可或缺的重要組件。



java中的類加載器及類加載器工作原理


java中（指的是javase）有三種類加載器。每個類加載器在創(chuàng)建的時候已經(jīng)指定他們對應(yīng)的目錄, 也就是說每個類加載器去哪里加載類是確定的，我認(rèn)為在ClassLoader類中應(yīng)該會有g(shù)etTargetPath()之類的方法, 得到他們對應(yīng)的路徑，找了找jdk的文檔,發(fā)現(xiàn)是沒有的。以下是這三種類加載器和他們對應(yīng)的路徑：


 * AppClassLoader  --   加載classpath指定的路徑中的類

 * ExtClassLoader   --   加載jre/lib/ext目錄下或者java.ext.dirs系統(tǒng)屬性定義的目錄下的類

 * BootStrap           --   加載JRE/lib/rt.jar中的類


那么類加載器是如何工作的呢？可以參看jdk中ClassLoader類的源碼。這個類的實現(xiàn)使用了模板方法模式，首先是loadClass方法來加載類，loadClass方法又調(diào)用了findClass方法，該方法讀取并返回類文件的數(shù)據(jù)，findClass方法返回后，loadClass方法繼續(xù)調(diào)用defineClass方法，將返回的數(shù)據(jù)加工成虛擬機運行時可識別的類型信息。所以，我們?nèi)绻_發(fā)自己的類加載器，只需要繼承jdk中的ClassLoader類，并覆蓋findClass方法就可以了，剩下的而工作，父類會完成。其他java平臺有的根據(jù)自己的需求，實現(xiàn)了自己特定的類加載器，例如javaee平臺中的tomcat服務(wù)器，Android平臺中的dalvik虛擬機也定義了自己的類加載器。


虛擬機加載類有兩種方式，一種方式就是上面提到的ClassLoader.loadClass()方法，另一種是使用反射API，Class.forName()方法，其實Class.forName()方法內(nèi)部也是使用的ClassLoader。Class類中forName方法的實現(xiàn)如下：


  1. public static Class<?> forName(String name, boolean initialize,  
  2.                    ClassLoader loader)  
  3.         throws ClassNotFoundException  
  4.     {  
  5.     if (loader == null) {  
  6.         SecurityManager sm = System.getSecurityManager();  
  7.         if (sm != null) {  
  8.         ClassLoader ccl = ClassLoader.getCallerClassLoader();  
  9.         if (ccl != null) {  
  10.             sm.checkPermission(  
  11.             SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);  
  12.         }  
  13.         }  
  14.     }  
  15.     return forName0(name, initialize, loader);  
  16.     }  
  17.   
  18.     /** Called after security checks have been made. */  
  19.     private static native Class forName0(String name, boolean initialize,  
  20.                         ClassLoader loader)  
  21.     throws ClassNotFoundException;  


類加載器的三個特性


類加載器有三個特性，分別為委派，可見性和單一性，其他文章上對這三個特性的介紹如下：


 * 委托機制是指將加載一個類的請求交給父類加載器，如果這個父類加載器不能夠找到或者加載這個類，那么再加載它。

 * 可見性的原理是子類的加載器可以看見所有的父類加載器加載的類，而父類加載器看不到子類加載器加載的類。

 * 單一性原理是指僅加載一個類一次，這是由委托機制確保子類加載器不會再次加載父類加載器加載過的類。


其中，委派機制是基礎(chǔ)，在其他資料中也把這種機制叫做類加載器的雙親委派模型，其實說的是同一個意思。可加性和單一性是依賴于委派機制的。


以下代碼測試類加載器的委派機制：

  1. ClassLoader appClassLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();  
  2. System.out.println(appClassLoader); //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f  
  3.   
  4.   
  5. ClassLoader extClassLoader = appClassLoader.getParent();  
  6. System.out.println(extClassLoader);  //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@addbf1  
  7. //AppClassLoader的父加載器是ExtClassLoader  
  8.   
  9. System.out.println(extClassLoader.getParent()); //null  
  10. //ExtClassLoader的父加載器是null, 也就是BootStrap,這是由c語言實現(xiàn)的  

由打印結(jié)果可知，加載我們自己編寫的類的加載器是AppClassLoader，AppClassLoader的父加載器是ExtClassLoader，在而ExtClassLoader的父加載器返回結(jié)果為null，這說明他的附加載器是BootStrap，這個加載器是和虛擬機緊密聯(lián)系在一起的，在虛擬機啟動時，就會加載jdk中的類。它是由C實現(xiàn)的，沒有對應(yīng)的java對象，所以返回null。但是在邏輯上，BootStrap仍是ExtClassLoader的父加載器。也就是說每當(dāng)ExtClassLoader加載一個類時，總會委托給BootStrap加載。



系統(tǒng)類加載器和線程上下文類加載器


在java中，還存在兩個概念，分別是系統(tǒng)類加載器和線程上下文類加載器。

其實系統(tǒng)類加載器就是AppClassLoader應(yīng)用程序類加載器，它兩個值得是同一個加載器，以下代碼可以驗證：

  1. ClassLoader appClassLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();  
  2. System.out.println(appClassLoader); //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f  
  3.   
  4. ClassLoader sysClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();  
  5. System.out.println(sysClassLoader);  //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f  
  6. //由上面的驗證可知, 應(yīng)用程序類加載器和系統(tǒng)類加載器是相同的, 因為地址是一樣的  

這兩個類加載器對應(yīng)的輸出，不僅類名相同，連對象的哈希值都是一樣的，這充分說明系統(tǒng)類加載器和應(yīng)用程序類加載器不僅是同一個類，更是同一個類的同一個對象。

每個線程都會有一個上下文類加載器,由于在線程執(zhí)行時加載用到的類,默認(rèn)情況下是父線程的上下文類加載器, 也就是AppClassLoader。

  1. new Thread(new Runnable() {  
  2.       
  3.     @Override  
  4.     public void run() {  
  5.         ClassLoader threadcontextClassLosder = Thread.currentThread().getContextClassLoader();  
  6.         System.out.println(threadcontextClassLosder); //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f  
  7.     }  
  8. }).start();  

這個子線程在執(zhí)行時打印的信息為sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f，可以看到和主線程中的AppClassLoader是同一個對象（哈希值相同）。


也可以為線程設(shè)置特定的類加載器，這樣的話，線程在執(zhí)行時就會使用這個特定的類加載器來加載使用到的類。如下代碼：


  1. Thread th = new Thread(new Runnable() {  
  2.       
  3.     @Override  
  4.     public void run() {  
  5.         ClassLoader threadcontextClassLosder = Thread.currentThread().getContextClassLoader();  
  6.         System.out.println(threadcontextClassLosder); //jg.zhang.java.testclassloader.ClassLoaderTest$3@1b67f74  
  7.     }  
  8. });  
  9.   
  10. th.setContextClassLoader(new ClassLoader() {});  
  11.   
  12. th.start();  

在線程運行之前，為它設(shè)置了一個匿名內(nèi)部類的類加載器對象，線程運行時，輸出的信息為：jg.zhang.java.testclassloader.ClassLoaderTest$3@1b67f74，也就是我們設(shè)置的那個類加載器對象。



類加載器的可見性


下面驗證類加載器的可見性，也就是 子類的加載器可以看見所有的父類加載器加載的類，而父類加載器看不到子類加載器加載的類。

以下代碼使用父加載器ExtClassLoader加載子加載器AppClassLoader路徑下的類，由輸出可知，是不可能實現(xiàn)的。

  1. try {  
  2.     Class.forName("jg.zhang.java.testConcurrent.Person", true,   
  3.             ClassLoaderTest.class.getClassLoader().getParent());  
  4.     System.out.println("1 -- 類被加載");  
  5. } catch (ClassNotFoundException e) {  
  6.     //e.printStackTrace();  
  7.     System.out.println("1 -- 未找到類");  
  8. }  

輸出為 ：1 -- 未找到類 。說明拋出了ClassNotFoundException異常。原因是讓ExtClassLoader加載 jg.zhang.java.testConcurrent.Person這個類因為這個類不在jre/lib/ext目錄下或者java.ext.dirs系統(tǒng)屬性定義的目錄下，所以拋出ClassNotFoundException。所以父加載器不能加載應(yīng)該被子加載器加載的類。也就是說這個類在父加載器中不可見。這種機制依賴于委派機制。


下面代碼使用子加載器AppClassLoader 加載父加載器BootStrap中的類，這是可以實現(xiàn)的。

  1. try {  
  2.     Class.forName("java.lang.String", true,   
  3.             ClassLoaderTest.class.getClassLoader());  
  4.     System.out.println("2 -- 類被加載");  
  5. } catch (ClassNotFoundException e) {  
  6.     //e.printStackTrace();  
  7.     System.out.println("2 -- 未找到類");  
  8. }  

輸出為：2 -- 類被加載。說明成功加載了String類。是因為在指定由AppClassLoader加載String類時，由AppClassLoader一直委派到BootStrap加載。雖然是由子加載器的父加載器加載的，但是也可以說，父加載器加載的類對于子加載器來說是可見的。這同樣依賴于委派機制。其實在虛擬機啟動初期，java.lang.String已經(jīng)被BootStrap預(yù)加載了，這時再次加載，虛擬機發(fā)現(xiàn)已經(jīng)加載，不會再重復(fù)加載。這同時也證明了類加載器的單一性。



測試代碼


到此為止，類加載器的知識就全部講完了。以下是整個測試代碼：

  1. package jg.zhang.java.testclassloader;  
  2.   
  3.   
  4. /** 
  5.  * 參考ImportNew上的一篇文章<<類加載器的工作原理>>, 
  6.  * 文章地址:http://www./6581.html 
  7.  *  
  8.  * Java類加載器基于三個機制：委托、可見性和單一性。 
  9.  * 委托機制是指將加載一個類的請求交給父類加載器，如果這個父類加載器不能夠找到或者加載這個類，那么再加載它。 
  10.  * 可見性的原理是子類的加載器可以看見所有的父類加載器加載的類，而父類加載器看不到子類加載器加載的類。 
  11.  * 單一性原理是指僅加載一個類一次，這是由委托機制確保子類加載器不會再次加載父類加載器加載過的類。 
  12.  *  
  13.  * 三種類加載器: 每個類加載器在創(chuàng)建的時候已經(jīng)指定他們對應(yīng)的目錄, 也就是說每個類加載器去哪里加載類是確定的 
  14.  * 我認(rèn)為在ClassLoader類中應(yīng)該會有g(shù)etTargetPath()之類的方法, 得到他們對應(yīng)的路徑,找了找jdk的文檔,發(fā)現(xiàn)是沒有的. 
  15.  * AppClassLoader  --   加載classpath指定的路徑中的類 
  16.  * ExtClassLoader  --   加載jre/lib/ext目錄下或者java.ext.dirs系統(tǒng)屬性定義的目錄下的類 
  17.  * BootStrap       --   加載JRE/lib/rt.jar中的類 
  18.  *  
  19.  *  
  20.  *  
  21.  * @author zhangjg 
  22.  * 
  23.  */  
  24. public class ClassLoaderTest {  
  25.   
  26.       
  27.     public static void main(String[] args) {  
  28.         test1();  
  29.         test2();  
  30.         test3();  
  31.     }  
  32.   
  33.     /** 
  34.      * 驗證線程上下文類加載器 
  35.      */  
  36.     private static void test3() {  
  37.         /** 
  38.          * 1 每個線程都會有一個上下文類加載器,由于在線程執(zhí)行時加載用到的類,默認(rèn)情況下是父線程 
  39.          * 的上下文類加載器, 也就是AppClassLoader 
  40.          */  
  41.         new Thread(new Runnable() {  
  42.               
  43.             @Override  
  44.             public void run() {  
  45.                 ClassLoader threadcontextClassLosder = Thread.currentThread().getContextClassLoader();  
  46.                 System.out.println(threadcontextClassLosder); //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f  
  47.             }  
  48.         }).start();  
  49.           
  50.         /** 
  51.          * 2 也可以給創(chuàng)建的線程設(shè)定特定的上下文類加載器 
  52.          */  
  53.         Thread th = new Thread(new Runnable() {  
  54.               
  55.             @Override  
  56.             public void run() {  
  57.                 ClassLoader threadcontextClassLosder = Thread.currentThread().getContextClassLoader();  
  58.                 System.out.println(threadcontextClassLosder); //jg.zhang.java.testclassloader.ClassLoaderTest$3@1b67f74  
  59.             }  
  60.         });  
  61.           
  62.         th.setContextClassLoader(new ClassLoader() {});  
  63.           
  64.         th.start();  
  65.     }  
  66.   
  67.     /** 
  68.      * 測試可見性,可見性依賴于委托機制 
  69.      */  
  70.     private static void test2() {  
  71.           
  72.         /** 
  73.          * 1 讓ExtClassLoader加載 jg.zhang.java.testConcurrent.Person這個類 
  74.          * 因為這個類不在jre/lib/ext目錄下或者java.ext.dirs系統(tǒng)屬性定義的目錄下 
  75.          * 所以拋出ClassNotFoundException 
  76.          *  
  77.          * 所以父加載器不能加載應(yīng)該被子加載器加載的類,這個類在父加載器中不可見 
  78.          * 這種機制依賴于委派機制 
  79.          */  
  80.           
  81.         try {  
  82.             Class.forName("jg.zhang.java.testConcurrent.Person", true,   
  83.                     ClassLoaderTest.class.getClassLoader().getParent());  
  84.             System.out.println("1 -- 類被加載");  
  85.         } catch (ClassNotFoundException e) {  
  86.             //e.printStackTrace();  
  87.             System.out.println("1 -- 未找到類");  
  88.         }  
  89.           
  90.           
  91.         /** 
  92.          * 2 讓AppClassLoader加載java.lang.String類 
  93.          * 沒有拋出異常,說明類被正常加載了 
  94.          * 雖然是由AppClassLoader一直委派到BootStrap而加載的 
  95.          * 所以可以說,父加載器加載的類對于子加載器來說是可見的,這同樣依賴于委派機制 
  96.          *  
  97.          * 其實在虛擬機啟動初期,java.lang.String已經(jīng)被BootStrap預(yù)加載了 
  98.          * 這時再次加載,虛擬機發(fā)現(xiàn)已經(jīng)加載,不會再重復(fù)加載 
  99.          */  
  100.         try {  
  101.             Class.forName("java.lang.String", true,   
  102.                     ClassLoaderTest.class.getClassLoader());  
  103.             System.out.println("2 -- 類被加載");  
  104.         } catch (ClassNotFoundException e) {  
  105.             //e.printStackTrace();  
  106.             System.out.println("2 -- 未找到類");  
  107.         }  
  108.           
  109.     }  
  110.   
  111.     /** 
  112.      * 驗證三種類加載器的父子關(guān)系 
  113.      */  
  114.     private static void test1() {  
  115.         ClassLoader appClassLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();  
  116.         System.out.println(appClassLoader); //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f  
  117.           
  118.         ClassLoader sysClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();  
  119.         System.out.println(sysClassLoader);  //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f  
  120.         //由上面的驗證可知, 應(yīng)用程序類加載器和系統(tǒng)類加載器是相同的, 因為地址是一樣的  
  121.           
  122.         ClassLoader extClassLoader = appClassLoader.getParent();  
  123.         System.out.println(extClassLoader);  //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@addbf1  
  124.         //AppClassLoader的父加載器是ExtClassLoader  
  125.           
  126.         System.out.println(extClassLoader.getParent()); //null  
  127.         //ExtClassLoader的父加載器是null, 也就是BootStrap,這是由c語言實現(xiàn)的  
  128.   
  129.     }  
  130.   
  131. }  

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