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Java的类型加载

Posted on Dec 07, 2016 By Jun Xi Gu

本文是对Java的类型加载的汇总和个人理解

Java的三种类加载器

Java类加载用于动态的把.class二进制流读入JVM并生成相应的Class对象

Java默认提供了3种类加载器，其中一个JVM内置的，用本地方法实现的叫 启动类加载器(BootStrapClassloader)，另外两个类加载器是用Java实现的；其中启动类加载器是不能被Java代码访问到的；用户可以自定义类加载器，但都需要继承ClassLoader

import java.util.List;

public class Test {

	public static void main(String... args) throws NoSuchFieldException, SecurityException {

		System.out.println("Test's Classloader: " + Test.class.getClassLoader().getClass().getName());
		System.out.println("System's Classloader: " + System.class.getClassLoader());
		System.out.println("List's Classloader: " + List.class.getClassLoader());

		System.out.print("Classloader Link: ");
		ClassLoader cl = Test.class.getClassLoader();
		do {
			System.out.print(cl.getClass().getName() + " -> ");
			cl = cl.getParent();
		} while (cl != null);
		System.out.println(cl);
	}

}

output：
Test's Classloader: sun.misc.Launcher$AppClassLoader
System's Classloader: null
List's Classloader: null
Classloader Link: sun.misc.Launcher$AppClassLoader -> sun.misc.Launcher$ExtClassLoader -> null

由输出可见，Java代码可被三种类加载器加载，但启动类加载器不能被访问到，所以输出为null；并且这3个类加载器有父子关系，组成一条链，它们的关系是专门设计的，这叫“双亲委派模型”

各种类加载器的关系

这3个类加载器分别负责加载不同位置的.class文件:

Class Loader .class Position
BootStrapClassloader jre/lib/rt.jar
ExtClassLoader jre/ext/lib/*.jar、*.class
AppClassLoader CLASSPATH

由此可见，rt.jar中的System和List的类加载器都是BootStrapClassloader，但Java代码不可访问所以输出null；Test则在CLASSPATH路径中，所以由AppClassLoader加载

双亲委派模型

有两种方式可以触发类型的加载，一种是使用Class.forName、Classloader.loadClass等API来加载类型；另一种是程序代码引用一种未加载的类型时，JVM解析符号引用前使用AppClassLoader加载类

无论哪种方式触发类型加载，都需要加载器进行加载；当一个加载器加载类型时，双亲委派模型就起作用了，一个双亲委派模型的类加载流程：

  1. 当一个加载器接收到加载请求时，首先检查这个类加载器已加载的类型列表里是否已经存在该类型，有则返回该类型
  2. 否则委托parent加载器加载类型，这个委托流程会一直下去直到把请求传递到 启动类型加载器，当parent加载器加载成功则结束
  3. 若parent加载器没办法加载类型(它会抛异常)，则由本加载器加载该类型，若加载不了则抛异常
  4. 若某一个加载成功，则类型会有一个指向该加载器的引用，并且从开始收到加载请求的加载器到实际加载类的加载器都会在其加载的类型列表里增加一个新类型；实际加载类的加载器叫做定义类型加载器，加载器链上从定义类型加载器到开始收到加载请求的加载器都被称为初始类型加载器
  5. 当一个类型加载了以后，虚拟机会检查其类型信息并使用本类型的定义类型加载器加载其父类型和所实现的接口类型(自定义的类型加载器在调用defineClass的时候进行)

这一流程可参考Classloader的源码：

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 (parent != null) { // load class by parent first
				c = parent.loadClass(name, false);
			} else { // use bootstrapclassloader to load the class
				c = findBootstrapClassOrNull(name);
			}
			
			...

			if (c == null) { // parent can't load the class
				// then use self's API to find and load the class
				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();
			}
		}
		
		...
		
		return c;
	}
}

双亲委派模型的好处是：使得值得信赖的类必须通过值得信赖的类加载器加载，并供其他类使用

加载约束

当两个由不同 定义类型加载器 加载的对象引用同一个限定名(包名)的类型A时，在JVM解析这个A符号引用时，这两个定义类型加载器加载该类型A的过程中，该类型A必须由同一个 加载器加载

自定义类加载器

自定义的类加载器也得遵守双亲委派模型，自定义的类加载器的父亲都是AppClassLoader；为了遵守双亲委派模型，自定义的类加载器只需要覆盖findClass方法就行了，当所有祖先类加载器找不到类时，就会使用自定义类加载器的findClass来定位.class文件并使用defineClass创建Class对象

自定义加载器例子


class MyClassLoader extends ClassLoader {

	private String basePath;

	MyClassLoader(String basePath) {
		this.basePath = basePath;
	}

	MyClassLoader(ClassLoader parent, String basePath) {
		super(parent);
		this.basePath = basePath;
	}

	@Override
	protected Class<?> findClass(String className) throws ClassNotFoundException {
		byte[] classData = getTypeFromBasePath(className);

		// Try to load the class from base path directory
		if (classData == null) {
			throw new ClassNotFoundException();
		}
		
		// Parse the class binary data to create a Class instance 
		return defineClass(className, classData, 0, classData.length);
	}

	private byte[] getTypeFromBasePath(String typeName) {
		String fileName = basePath + File.separator + typeName.replace(".", File.pathSeparator) + ".class";

		try {
			BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(fileName));
			ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();

			int c = bis.read();
			while (c != -1) {
				out.write(c);
				c = bis.read();
			}
			return out.toByteArray();
		} catch (IOException e) {
			return null;
		}
	}
	
	public static void main(String[] args) throws Exception{  
        new MyClassLoader("/test").loadClass("ClassName");
    }
}

loadClass的参数是类的全限定名(包含包名)

参考文献

《深入JAVA虚拟机》