类加载以及类加载器

本文详细介绍了Java中的类加载过程,包括加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载等步骤。讨论了类加载器的类型,如BootstrapClassLoader、ExtensionClassLoader、AppClassLoader和CustomClassLoader。重点讲解了双亲委派机制及其意义,以及如何通过自定义类加载器打破这种机制。同时,文章探讨了全盘委托机制,并分析了Tomcat为何需要打破双亲委派机制的原因。

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  • 什么是类加载?

将类的.class文件中的二进制数据读入到JVM中,将其放在运行时数据区的方法区内,然后在堆区创建一个这个类的java.lang.Class对象,用来封装类在方法区类的对象

  • 类加载的步骤

加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载;下面分别介绍这几步:

加载:在硬盘上查找并通过IO读入字节码文件,使用到类时才会加载,例如调用类的
main()方法,new对象等等,在加载阶段会在内存中生成一个代表这个类的
java.lang.Class对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口

关于方法区的简单介绍:

类被加载到方法区中后主要包含 运行时常量池、类型信息、字段信息、方法信息、类加载器的
引用、对应class实例的引用等信息。
类加载器的引用:这个类到类加载器实例的引用
对应class实例的引用:类加载器在加载类信息放到方法区中后,会创建一个对应的Class 类型的
对象实例放到堆(Heap)中, 作为开发人员访问方法区中类定义的入口和切入点。

验证:校验字节码文件的正确性

准备:给类的静态变量分配内存,并赋予默认值

解析:将符号引用替换为直接引用。   (该阶段会把一些静态方法(符号引用,比如
main()方法)替换为指向数据所存内存的指针或句柄等(直接引用),这是所谓的静态链接
程(类加载期间完成),动态链接是在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用,下
节课会讲到动态链接)

初始化:对类的静态变量初始化为指定的值,执行静态代码。

  • 类加载器

java中有四种类加载器:

1)BootstrapClassLoader(启动类加载器)
  负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的核心类库,比如rt.jar、charsets.jar等
2)ExtensionClassLoader(标准扩展类加载器)
        负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR类包  
3)AppClassLoader(系统类加载器)
        负责加载ClassPath路径下的类包,主要就是加载你自己写的那些类
4)CustomClassLoader(自定义加载器)
  属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader,如tomcat

通过以下代码可以查看不同类加载器加载的路径:

public class TestJDKClassLoader {

    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        ClassLoader extClassloader = appClassLoader.getParent();
        ClassLoader bootstrapLoader = extClassloader.getParent();
        System.out.println("the bootstrapLoader : " + bootstrapLoader);
        System.out.println("the extClassloader : " + extClassloader);
        System.out.println("the appClassLoader : " + appClassLoader);

        System.out.println();
        System.out.println("bootstrapLoader加载以下文件:");
//        URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
//        for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
//            System.out.println(urls[i]);
//        }

        System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));

        System.out.println();
        System.out.println("extClassloader加载以下文件:");
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));

        System.out.println();
        System.out.println("appClassLoader加载以下文件:");
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
    }
}
  • 双亲委派机制

加载某个类时会先委托父加载器寻找目标类,找不到再委托上层父加载器加载,直至引导类加载器后再逐层往下找,如果所有父加载器在自己的加载类路径下都找不到目标类,则在自己的类加载路径中查找并载入目标类

双亲委派机制的核心源码:AppClassLoader的loadClass方法最终会调用其父类ClassLoader的loadClass()

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) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    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;
        }
    }

1. 首先,检查一下指定名称的类是否已经加载过,如果加载过了,就不需要再加载,直接
返回。
2. 如果此类没有加载过,那么,再判断一下是否有父加载器;如果有父加载器,则由父加
载器加载(即调用parent.loadClass(name, false);).或者是调用bootstrap类加载器来加
载。
3. 如果父加载器及bootstrap类加载器都没有找到指定的类,那么调用当前类加载器的
findClass方法来完成类加载。

  • 双亲委派机制的意义

沙箱安全机制:自己写的java.lang.String.class类不会被加载,这样便可以防止核心
API库被随意篡改;

避免类的重复加载:当父亲已经加载了该类时,就没有必要子ClassLoader再加载一
次,保证被加载类的唯一性

全盘委托机制

“全盘负责”是指当一个ClassLoader装载一个类时,除非显示地使用另一个ClassLoader,则该类所依赖及引用的类也由这个CladdLoader载入。

打破双亲委派机制

自定义类加载器

核心:1、指定加载路径;重写findClass()

package com.tuling.designpattern.snail;

import java.io.FileInputStream;

public class MyClassLoaderTest {
    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;

        public MyClassLoader(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;
        }
        @Override
        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                //defineClass将一个字节数组转为Class对象,这个字节数组是class文件读取后最终的字节 数组。
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }

    }
}

打破

不交给父类加载,首先自己加载

模拟tomcat打破

  • 打破的必要性:

我们思考一下:Tomcat是个web容器, 那么它要解决什么问题:
1. 一个web容器可能需要部署两个应用程序,不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类库的
不同版本,不能要求同一个类库在同一个服务器只有一份,因此要保证每个应用程序的类库都是
独立的,保证相互隔离。
2. 部署在同一个web容器中相同的类库相同的版本可以共享。否则,如果服务器有10个应用程
序,那么要有10份相同的类库加载进虚拟机。
3. web容器也有自己依赖的类库,不能与应用程序的类库混淆。基于安全考虑,应该让容器的
类库和程序的类库隔离开来。
4. web容器要支持jsp的修改,我们知道,jsp 文件最终也是要编译成class文件才能在虚拟机中
运行,但程序运行后修改jsp已经是司空见惯的事情, web容器需要支持 jsp 修改后不用重启。

  • 核心操作步骤(针对上述问题3):

自定义类加载器(本文代码已实现);

各个Webapp私有的类加载器,加载路径中的class只对当前
Webapp可见,比如加载war包里相关的类,每个war包应用都有自己的
WebappClassLoader,实现相互隔离,比如不同war包应用引入了不同的spring版本,
这样实现就能加载各自的spring版本;

其余问题

如何判断同一个类

注意:同一个JVM内,两个相同包名和类名的类对象可以共存,因为他们的类加载器可以不一
样,所以看两个类对象是否是同一个,除了看类的包名和类名是否都相同之外,还需要他们的类
加载器也是同一个才能认为他们是同一个。

ClassLoader中的parent属性在何处赋值的?

在源码中跟踪未发现。。。

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