全面解析Java類加載器

liang1234_ 2019-04-16

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深入理解和探究Java類加載機制----

1.java.lang.ClassLoader類介紹

java.lang.ClassLoader類的基本職責就是根據一個指定的類的名稱，找到或者生成其對應的字節代碼，然后從這些字節代碼中定義出一個Java 類，即 java.lang.Class類的一個實例。

ClassLoader提供了一系列的方法，比較重要的方法如：

2.JVM中類加載器的樹狀層次結構

Java 中的類加載器大致可以分成兩類，一類是系統提供的，另外一類則是由 Java 應用開發人員編寫的。

引導類加載器（bootstrap class loader）：

它用來加載 Java 的核心庫(jre/lib/rt.jar)，是用原生C++代碼來實現的，并不繼承自java.lang.ClassLoader。

加載擴展類和應用程序類加載器，并指定他們的父類加載器，在java中獲取不到。

擴展類加載器（extensions class loader）：

它用來加載 Java 的擴展庫(jre/ext/*.jar)。Java 虛擬機的實現會提供一個擴展庫目錄。該類加載器在此目錄里面查找并加載 Java 類。

系統類加載器（system class loader）：

它根據 Java 應用的類路徑（CLASSPATH）來加載 Java 類。一般來說，Java 應用的類都是由它來完成加載的。可以通過 ClassLoader.getSystemClassLoader()來獲取它。

自定義類加載器（custom class loader）：

除了系統提供的類加載器以外，開發人員可以通過繼承 java.lang.ClassLoader類的方式實現自己的類加載器，以滿足一些特殊的需求。

以下測試代碼可以證明此層次結構：

public class testClassLoader {
    @Test
    public void test(){
        //application class loader
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader());
        //extensions class loader
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent());
        //bootstrap class loader
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent().getParent());
    }
}

輸出為：

可以看出ClassLoader類是由AppClassLoader加載的。他的父親是ExtClassLoader，ExtClassLoader的父親無法獲取是因為它是用C++實現的。

3.雙親委派機制

　　某個特定的類加載器在接到加載類的請求時，首先將加載任務委托交給父類加載器，父類加載器又將加載任務向上委托，直到最父類加載器，如果最父類加載器可以完成類加載任務，就成功返回，如果不行就向下傳遞委托任務，由其子類加載器進行加載。

雙親委派機制的好處：

　　保證java核心庫的安全性（例如：如果用戶自己寫了一個java.lang.String類就會因為雙親委派機制不能被加載，不會破壞原生的String類的加載）

代理模式

　　與雙親委派機制相反，代理模式是先自己嘗試加載，如果無法加載則向上傳遞。tomcat就是代理模式。

4.自定義類加載器

public class MyClassLoader extends ClassLoader{

    private String rootPath;
    
    public MyClassLoader(String rootPath){
        this.rootPath = rootPath;
    }
    
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        //check if the class have been loaded
        Class<?> c = findLoadedClass(name);        
        if(c!=null){
            return c;
        }
        //load the class
        byte[] classData = getClassData(name);
        if(classData==null){
            throw new ClassNotFoundException();
        }
        else{
            c = defineClass(name,classData, 0, classData.length);
            return c;
        }    
    }
    
    private byte[] getClassData(String className){
        String path = rootPath+"/"+className.replace('.', '/')+".class";
        
        InputStream is = null;
        ByteArrayOutputStream bos = null;
        try {
            is = new FileInputStream(path);
            bos = new ByteArrayOutputStream();
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int temp = 0;
            while((temp = is.read(buffer))!=-1){
                bos.write(buffer,0,temp);
            }
            return bos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try {
                is.close();
                bos.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }            
        }
        
        return null;        
    }    

}

測試自定義的類加載器

創建一個測試類HelloWorld

package testOthers;

public class HelloWorld {

}

在D盤根目錄創建一個testOthers文件夾，編譯HelloWorld.java，將得到的class文件放到testOthers文件夾下。

利用如下代碼進行測試

public class testMyClassLoader {
    @Test
    public void test() throws Exception{
        MyClassLoader loader = new MyClassLoader("D:");
        Class<?> c = loader.loadClass("testOthers.HelloWorld");
        System.out.println(c.getClassLoader());
    }
}

輸出：

說明HelloWorld類是被我們的自定義類加載器MyClassLoader加載的

5.類加載過程詳解

JVM將類加載過程分為三個步驟：裝載（Load），鏈接（Link）和初始化(Initialize)

1) 裝載：

　　查找并加載類的二進制數據；

2)鏈接：

　　驗證：確保被加載類信息符合JVM規范、沒有安全方面的問題。

　　準備：為類的靜態變量分配內存，并將其初始化為默認值。

　　解析：把虛擬機常量池中的符號引用轉換為直接引用。

3)初始化：

　　為類的靜態變量賦予正確的初始值。

ps:解析部分需要說明一下，Java 中，虛擬機會為每個加載的類維護一個常量池【不同于字符串常量池，這個常量池只是該類的字面值（例如類名、方法名）和符號引用的有序集合。而字符串常量池，是整個JVM共享的】這些符號（如int a = 5;中的a）就是符號引用，而解析過程就是把它轉換成指向堆中的對象地址的相對地址。

類的初始化步驟：

1）如果這個類還沒有被加載和鏈接，那先進行加載和鏈接

2）假如這個類存在直接父類，并且這個類還沒有被初始化（注意：在一個類加載器中，類只能初始化一次），那就初始化直接的父類（不適用于接口）

3）如果類中存在static標識的塊，那就依次執行這些初始化語句。