类加载器子系统之类加载器(二)

类加载器

JVM中有两种类型的类加载器，由C++编写的以及由Java编写的。除了启动类加载器（Bootstrap Class Loader）是由C++编写的，其他都是由Java编写的。由Java编写的类加载器都继承自类java.lang.ClassLoader。

各种类加载器之间存在着逻辑上的父子关系，但不是真正意义上的父子关系，因为它们之间没有从属关系。

image.png
  • 启动类加载器：Bootstrap ClassLoader，负责加载存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录)下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.*开头的类均被Bootstrap ClassLoader加载）。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。
        URL[] urLs = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL urL : urLs) {
            System.out.println(urL);
        }
image.png
  • 扩展类加载器：Extension ClassLoader，该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载JDK\jre\lib\ext目录中，或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.*开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
 ClassLoader classLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
        URLClassLoader urlClassLoader = (URLClassLoader) classLoader;

        URL[] urls = urlClassLoader.getURLs();
        for (URL url : urls) {
            System.out.println(url);
        }
image.png
  • 应用程序类加载器：Application ClassLoader，该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。
        URLClassLoader classLoader2 = (URLClassLoader)ClassLoader.getSystemClassLoader();
        URL[] urls1 = classLoader2.getURLs();
        for (URL url : urls1) {
            System.out.println(url);
        }
image.png

应用程序都是由这三种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，我们还可以加入自定义的类加载器。因为JVM自带的ClassLoader只是懂得从本地文件系统加载标准的java class文件，因此如果编写了自己的ClassLoader，便可以做到如下几点：

1）在执行非置信代码之前，自动验证数字签名。

2）动态地创建符合用户特定需要的定制化构建类。

3）从特定的场所取得java class，例如数据库中和网络中。

加载顺序

Bootstrap ClassLoader > Extention ClassLoader > Appclass Loader

类的唯一性和类加载器

对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性。
即使两个类来源于同一个 Class 文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类也不相等。
这里所指的“相等”，包括代表类的 Class 对象的 equals() 方法、 isAssignableFrom() 方法、isInstance() 方法的返回结果，也包括使用 instanceof 关键字做对象所属关系判定等情况。

双亲委派

如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。


image.png

ClassLoader源码分析

 public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
    }

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
           //首先，检查该类是否已经加载
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
              //如果没有被加载，就委派给父类加载或者委派给启动类加载器加载
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                  //如果存在父类加载器，就委派给父类加载器加载
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
//如果不存在父类加载器，就检查是否是由启动类加载器加载的类，通过调用本地方法private native Class findBootstrapClass(String name)
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                   // 如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
                  // 说明父类加载器无法完成加载请求
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
            // 如果仍然找不到,才调用自身的加载功能
                    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;
        }
    }

双亲委派模型意义：

  • 防止核心API库被随意篡改

  • 避免有些类被重复加载

自定义类加载器

Java 默认的 ClassLoader，只加载指定目录下的 class，如果需要动态加载类到内存，比如应用是通过网络来传输 Java 类的字节码，为保证安全性，这些字节码经过了加密处理，这时系统类加载器就无法对其进行加载，这样则需要自定义类加载器来实现。

自定义类加载器分为两步：

  • 继承 java.lang.ClassLoader
  • 重写父类的 findClass() 方法

针对第 1 步，为什么要继承 ClassLoader 这个抽象类，而不继承 AppClassLoader 呢？
因为它和 ExtClassLoader 都是 Launcher 的静态内部类，其访问权限是缺省的包访问权限。

static class AppClassLoader extends URLClassLoader{...}

第 2 步，JDK 的 loadCalss() 方法在所有父类加载器无法加载的时候，会调用本身的 findClass() 方法来进行类加载，因此我们只需重写 findClass() 方法找到类的二进制数据即可。

下面自定义了一个简单的类加载器，并加载一个简单的类

被加载的类
package com.jay.company.file.service;

public class Test  {
    
    public void a() {
        System.out.println("Test类已成功加载运行！");
        ClassLoader classLoader = Test.class.getClassLoader();
        System.out.println("加载我的classLoader：" + classLoader);
        System.out.println("classLoader.parent：" + classLoader.getParent());
    }
}

并使用javac -encoding utf8 Test.java编译成 Test.class 文件。

类加载器
public class MyClassLoader extends ClassLoader{

    public static final String SUFFIX = ".class";
    public static final int BUFFERSIZE = 1024;
    /**
     *
     * @param name: com.gongj.service.Test
     * @return
     * @throws ClassNotFoundException
     */
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        System.out.println("==================自定义加载器开始=======");
        //加载D盘目录下指定类名的class
        String dir = "D:\\work\\service" + File.separatorChar + name.replace('.', File.separatorChar);
        byte[] classData = getData(dir);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }

    private byte[] getData(String name) {
        File file = new File(name + SUFFIX);
        if (!file.exists()) {
            return null;
        }
        try(InputStream ins = new FileInputStream(file);
            ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream()) {
            int len = 0;
            byte[] buffer = new byte[BUFFERSIZE];
            while ((len = ins.read(buffer)) != -1) {
                bos.write(buffer, 0, len);
            }
            return bos.toByteArray();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
 
}
使用类加载器加载调用 Test 类
  public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 指定类加载器加载调用
        MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader();
        //传递类的全限定性名称
        Class<?> aClass = myClassLoader.loadClass("Test");
        //获得类的实例对象
        Object o = aClass.newInstance();
        //获得指定方法
        Method a = aClass.getMethod("a");
        //执行方法
        a.invoke(o);
    }

结果:
==================自定义加载器开始=======
Test类已成功加载运行！
加载我的classLoader：com.luban.ziya.classloader.MyClassLoader@7f31245a
classLoader.parent：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

这里有几点需要注意：

1、loadClass方法这里传递的文件名需要是类的全限定性名称，比如com.gongj.service.Test格式的，因为 defineClass 方法是按这种格式进行处理的。

2、最好不要重写loadClass方法，因为这样容易破坏双亲委托模式。

3、Test 类本身可以被 AppClassLoader 类加载，因此我们不能把Test.class 放在类路径下。否则，由于双亲委托机制的存在，会直接导致该类由 AppClassLoader 加载，而不会通过我们自定义类加载器来加载。

线程上下文类加载器

为解决基础类无法调用类加载器加载用户提供代码的问题，Java 引入了线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器默认就是 Application 类加载器，并且可以通过 java.lang.Thread.setContextClassLoaser() 方法进行设置。

// Now create the class loader to use to launch the application
try {
    loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
} catch (IOException e) {
    throw new InternalError(
"Could not create application class loader" );
}
 
// Also set the context class loader for the primordial thread.
Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);

那么问题来了，我们使用 ClassLoader.getSystemClassLoader() 方法也可以获取到 Application 类加载器，使用它就可以加载用户类了呀，为什么还需要线程上下文类加载器？
其实直接使用 getSystemClassLoader() 方法获取 AppClassLoader 加载类也可以满足一些情况，但有时候我们需要使用自定义类加载器去加载某个位置的类时，例如Tomcat 使用的线程上下文类加载器并非 AppClassLoader ，而是 Tomcat 自定义类加载器。

以 Tomcat 为例，其每个 Web 应用都有一个对应的类加载器实例，该类加载器使用代理模式，首先尝试去加载某个类，如果找不到再代理给父类加载器这与一般类加载器的顺序是相反的。
这是 Java Servlet 规范中的推荐做法，其目的是使得 Web 应用自己的类的优先级高于 Web 容器提供的类。
参考文献
https://www.cnblogs.com/ityouknow/p/5603287.html
https://www.cnblogs.com/dongguacai/p/5860241.html
https://www.cnblogs.com/czwbig/p/11127222.html

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