转-深入Java」类型信息:RTTI和反射;转-Java反射在JVM的实现;转-深入分析Java ClassLoader原理

 

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1.RTTI Run-Time Type Infomation 运行时类型信息

为什么需要RTTI?

越是优秀的面向对象设计,越是强调高内聚低耦合,正如依赖倒转原则所说:“无论是高层模块还是低层模块,都应该针对抽象编程”。

比如说我们有一个抽象父类:

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Shape draw()

以下是三个具体类:

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Circle draw()
Square draw()
Triangle draw()

某些情况下,我们持有Shape,但却远远不够——因为我们想要针对它的具体类型进行特殊处理,然而我们的设计完全针对抽象,所以在当前上下文环境中无法判断具体类型。
因为RTTI的存在,使得我们在不破坏设计的前提下得以达到目的。


Class类与Class对象

事实上,每一个类都持有其对应的Class类的对象的引用(Object类中的getClass()能让我们获取到它),其中包含着与类相关的信息。
非常容易注意到,针对每一个类,编译Java文件会生成一个二进制.class文件,这其中就保存着该类对应的Class对象的信息。

.class是用于供类加载器使用的文件

Java程序在运行之前并没有被完全加载,各个部分是在需要时才被加载的。

为了使用类而作的准备包含三步:

  1. 加载。由类加载器执行,查找字节码,创建一个Class对象。
  2. 链接。验证字节码,为静态域分配存储空间,如果必需的话,会解析这个类创建的对其他类的所有引用(比如说该类持有static域)。
  3. 初始化。如果该类有超类,则对其初始化,执行静态初始化器[注]和静态初始化块。

注:原文为static initializers,经查看Thinking in Java,其意应为静态域在定义处的初始化,如:
static Dog d = new Dog(0);

所有的类都是在对其第一次使用时,动态加载到JVM中去的。当程序创建第一个对类的静态成员的引用时,JVM会使用类加载器来根据类名查找同名的.class——一旦某个类的Class对象被载入内存,它就被用来创建这个类的所有对象。构造器也是类的静态方法,使用new操作符创建新对象会被当作对类的静态成员的引用。
注意特例:如果一个static final值是编译期常量,读取这个值不需要对类进行初始化。所以说对于不变常量,我们总是应该使用static final修饰。


Class.forName(String str)

Class类有一个很有用的静态方法forName(String str),可以让我们对于某个类不进行创建就得到它的Class对象的引用,例如这个样子:

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try {
     Class toyClass = Class.forName("com.duanze.Toy"); // 注意必须使用全限定名
} catch (ClassNotFoundException e) {
}

然而,使用forName(String str)有一个副作用:如果Toy类没有被加载,调用它会触发Toy类的static子句(静态初始化块)。

与之相比,更好用的是类字面常量,像是这样:

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Class toyClass = Toy.class;

支持编译时检查,所以不会抛出异常。使用类字面常量创建Class对象的引用与forName(String str)不同,不会触发Toy类的static子句(静态初始化块)。所以,更简单更安全更高效。
类字面常量支持类、接口、数组、基本数据类型。


×拓展×

Class.forName(String className)使用装载当前类的类装载器来装载指定类。因为class.forName(String className)方法内部调用了Class.forName(className, true, this.getClass().getClassLoader())方法,如你所见,第三个参数就是指定类装载器,显而易见,它指定的是装载当前类的类装载器的实例,也就是this.getClass().getClassLoader();

你可以选择手动指定装载器:

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ClassLoader cl = new  ClassLoader();  
Class c1 = cl.loadClass(String className, boolean resolve );

更详细的参考


范化的Class引用

通过范型以及通配符,我们能对Class对象的引用进行类型限定,像是:

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Class<Integer> intClass = int.class; // 注意右边是基本数据类型的类字面常量

这样做的好处是能让编译器进行额外的类型检查。
知道了这一点以后,我们可以把之前的例子改写一下:

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Class toyClass = Toy.class;
Class<?> toyClass = Toy.class;

虽然这两句是等价的,但从可读性来说Class<?>要优于Class,这说明编程者并不是由于疏忽而选择了非具体版本,而是特意选择了非具体版本。


Class.newInstance()

既然拿到了包含着类信息的Class对象的引用,我们理应可以构造出一个类的实例。Class.newInstance()就是这样一个方法,比如:

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// One
try {
    Class<?> toyClass = Class.forName("com.duanze.Toy");
    Object obj = toyClass.newInstance();
} catch (ClassNotFoundException e) {
}
// Two
Class<?> toyClass = Toy.class;
Object obj = toyClass.newInstance();

使用newInstance()创建的类,必须带有默认构造器。
由于toyClass仅仅只是一个Class对象引用,在编译期不具备更进一步的类型信息,所以你使用newInstance()时只会得到一个Object引用。如果你需要拿到确切类型,需要这样做:

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Class<Toy> toyClass = Toy.class;
Toy obj = toyClass.newInstance();

但是,如果你遇到下面的情况,还是只能拿到Object引用:

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Class<SubToy> subToyClass = SubToy.class;
Class<? super SubToy> upClass = subToy.getSuperclass(); // 希望拿到SubToy的父类Toy的Class对象引用
// This won't compile:
// Class<Toy> upClass = subToy.getSuperclass();
// Only produces Object:
Object obj = upClass.newInstance();

虽然从常理上来讲,编译器应该在编译期就能知道SubToy的超类是Toy,但实际上却并不支持这样写:

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// This won't compile:
Class<Toy> upClass = subToy.getSuperclass();

而只能够接受:

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Class<? super SubToy> upClass = subToy.getSuperclass(); // 希望拿到SubToy的父类Toy

这看上去有些奇怪,但现状就是如此,我们惟有接受。好在这并不是什么大问题,因为转型操作并不困难。


类型检查

在进行类型转换之前,可以使用instanceof关键字进行类型检查,像是:

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if ( x instanceof Shape ) {
     Shape s = (Shape)x;
}

一般情况下instanceof已经够用,但有些时候你可能需要更动态的测试途径:Class.isInstance(Class clz):

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Class<Shape> s = Shape.class;
s.isInstance(x);

可以看到,与instanceof相比,isInstance()的左右两边都是可变的,这一动态性有时可以让大量包裹在if else...中的instanceof缩减为一句。


2.反射

不知道你注意到了没有,以上使用的RTTI都具有一个共同的限制:在编译时,编译器必须知道所有要通过RTTI来处理的类。

但有的时候,你获取了一个对象引用,然而其对应的类并不在你的程序空间中,怎么办?(这种情况并不少见,比如说你从磁盘文件或者网络中获取了一串字串,并且被告知这一串字串代表了一个类,这个类在编译器为你的程序生成代码之后才会出现。)

Class类和java.lang.reflect类库一同对反射的概念提供了支持。反射机制并没有什么神奇之处,当通过反射与一个未知类型的对象打交道时,JVM只是简单地检查这个对象,看它属于哪个特定的类。因此,那个类的.class对于JVM来说必须是可获取的,要么在本地机器上,要么从网络获取。所以对于RTTI和反射之间的真正区别只在于:

  • RTTI,编译器在编译时打开和检查.class文件
  • 反射,运行时打开和检查.class文件

明白了以上概念后,什么getFields(),getMethods(),getConstructors()之类的方法基本上全都可以望文生义了。

我们可以看一下Android开发中经常用的对于ActionBar,让Overflow中的选项显示图标这一效果是怎么做出来的:

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/*
overflow中的Action按钮应不应该显示图标,
是由MenuBuilder这个类的setOptionalIconsVisible方法来决定的,
如果我们在overflow被展开的时候给这个方法传入true,
那么里面的每一个Action按钮对应的图标就都会显示出来了。
*/
@Override
public boolean onMenuOpened(int featureId, Menu menu) {
    if (featureId == Window.FEATURE_ACTION_BAR && menu != null) {
        if (menu.getClass().getSimpleName().equals("MenuBuilder")) {
            try {
                // Boolean.TYPE 同 boolean.class
                Method m = menu.getClass().getDeclaredMethod("setOptionalIconsVisible", Boolean.TYPE);
                // 通过setAccessible(true),确保可以调用方法——即使是private方法
                m.setAccessible(true);
                // 相当于:menu.setOptionalIconsVisible(true)
                m.invoke(menu, true);
            } catch (Exception e) {
            }
        }
    }
    return super.onMenuOpened(featureId, menu);
}

×拓展:动态代理×

Java中对于反射的一处重要使用为动态代理,可以参考这篇IBM developerworks的文章

 

 

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本文目录

  1. 什么是Java反射,有什么用?
  2. Java Class文件的结构
  3. Java Class加载的过程
  4. 反射在native的实现
  5. 附录

1. 什么是Java反射,有什么用?

反射使程序代码能够接入装载到JVM中的类的内部信息,允许在编写与执行时,而不是源代码中选定的类协作的代码,是以开发效率换运行效率的一种手段。这使反射成为构建灵活应用的主要工具。

反射可以:

  1. 调用一些私有方法,实现黑科技。比如双卡短信发送、设置状态栏颜色、自动挂电话等。
  2. 实现序列化与反序列化,比如PO的ORM,Json解析等。
  3. 实现跨平台兼容,比如JDK中的SocketImpl的实现
  4. 通过xml或注解,实现依赖注入(DI),注解处理,动态代理,单元测试等功能。比如Retrofit、Spring或者Dagger

2. Java Class文件的结构

在*.class文件中,以Byte流的形式进行Class的存储,通过一系列Load,Parse后,Java代码实际上可以映射为下图的结构体,这里可以用javap命令或者IDE插件进行查看。

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typedef struct {
    u4             magic;/*0xCAFEBABE*/
    u2             minor_version; /*网上有表可查*/
    u2             major_version; /*网上有表可查*/
    u2             constant_pool_count;
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];
    u2             access_flags;
    u2             this_class;
    u2             super_class;
    u2             interfaces_count;
    u2             interfaces[interfaces_count];
    //重要
    u2             fields_count;
    field_info     fields[fields_count];
    //重要
    u2             methods_count;
    method_info    methods[methods_count];
    u2             attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}ClassBlock;
  • 常量池(constant pool):类似于C中的DATA段与BSS段,提供常量、字符串、方法名等值或者符号(可以看作偏移定值的指针)的存放
  • access_flags: 对Class的flag修饰
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    typedef enum {
          ACC_PUBLIC = 0x0001,
          ACC_FINAL = 0x0010,
          ACC_SUPER = 0x0020,
          ACC_INTERFACE = 0x0200,
          ACC_ACSTRACT = 0x0400
      }AccessFlag
  • this class/super class/interface: 一个长度为u2的指针,指向常量池中真正的地址,将在Link阶段进行符号解引。
  • filed: 字段信息,结构体如下
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typedef struct fieldblock {
     char *name;
     char *type;
     char *signature;
     u2 access_flags;
     u2 constant;
     union {
         union {
             char data[8];
             uintptr_t u;
             long long l;
             void *p;
             int i;
         } static_value;
         u4 offset;
     } u;
  } FieldBlock;
  • method: 提供descriptor, access_flags, Code等索引,并指向常量池:

它的结构体如下,详细在这里

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method_info {
     u2             access_flags;
     u2             name_index;
     //the parameters that the method takes and the
     //value that it return
     u2             descriptor_index;
     u2             attributes_count;
     attribute_info attributes[attributes_count];
 }

以上具体内容可以参考

  1. JVM文档
  2. 周志明的《深入理解Java虚拟机》,少见的国内精品书籍
  3. 一些国外教程的解析

3. Java Class加载的过程

Class的加载主要分为两步

  • 第一步通过ClassLoader进行读取、连结操作
  • 第二步进行Class的<clinit>()初始化。

3.1. Classloader加载过程

ClassLoader用于加载、连接、缓存Class,可以通过纯Java或者native进行实现。在JVM的native代码中,ClassLoader内部维护着一个线程安全的HashTable<String,Class>,用于实现对Class字节流解码后的缓存,如果HashTable中已经有了缓存,则直接返回缓存;反之,在获得类名后,通过读取文件、网络上的class字节流反序列化为JVM中native的C结构体,接着malloc内存,并将指针缓存在HashTable中。

下面是非数组情况下ClassLoader的流程

  • find/load: 将文件反序列化为C结构体。

Class反序列化的流程
  • link: 根据Class结构体常量池进行符号的解引。比如对象计算内存空间,创建方法表,native invoker,接口方法表,finalizer函数等工作。

3.2. 初始化过程

当ClassLoader加载Class结束后,将进行Class的初始化操作。主要执行<clinit()>的静态代码段与静态变量(取决于源码顺序)。

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public class Sample {
  //step.1
  static int b = 2;
  //step.2
  static {
    b = 3;
  }
  public static void main(String[] args) {
    Sample s = new Sample();
    System.out.println(s.b);
    //b=3
  }
}

具体参考如下:

在完成初始化后,就是Object的构造<init>了,本文暂不讨论。

4. 反射在native的实现

反射在Java中可以直接调用,不过最终调用的仍是native方法,以下为主流反射操作的实现。

4.1. Class.forName的实现

Class.forName可以通过包名寻找Class对象,比如Class.forName("java.lang.String")
在JDK的源码实现中,可以发现最终调用的是native方法forName0(),它在JVM中调用的实际是findClassFromClassLoader(),原理与ClassLoader的流程一样,具体实现已经在上面介绍过了。

4.2. getDeclaredFields的实现

在JDK源码中,可以知道class.getDeclaredFields()方法实际调用的是native方法getDeclaredFields0(),它在JVM主要实现步骤如下

  1. 根据Class结构体信息,获取field_countfields[]字段,这个字段早已在load过程中被放入了
  2. 根据field_count的大小分配内存、创建数组
  3. 将数组进行forEach循环,通过fields[]中的信息依次创建Object对象
  4. 返回数组指针

主要慢在如下方面

  1. 创建、计算、分配数组对象
  2. 对字段进行循环赋值

4.3. Method.invoke的实现

以下为无同步、无异常的情况下调用的步骤

  1. 创建Frame
  2. 如果对象flag为native,交给native_handler进行处理
  3. 在frame中执行java代码
  4. 弹出Frame
  5. 返回执行结果的指针

主要慢在如下方面

  1. 需要完全执行ByteCode而缺少JIT等优化
  2. 检查参数非常多,这些本来可以在编译器或者加载时完成

4.4. class.newInstance的实现

  1. 检测权限、预分配空间大小等参数
  2. 创建Object对象,并分配空间
  3. 通过Method.invoke调用构造函数(<init>())
  4. 返回Object指针

主要慢在如下方面

  1. 参数检查不能优化或者遗漏
  2. <init>()的查表
  3. Method.invoke本身耗时

5. 附录

5.1. JVM与源码阅读工具的选择

初次学习JVM时,不建议去看Android Art、Hotspot等重量级JVM的实现,它内部的防御代码很多,还有android与libcore、bionic库紧密耦合,以及分层、内联甚至能把编译器的语义分析绕进去,因此找一个教学用的、嵌入式小型的JVM有利于节约自己的时间。因为以前折腾过OpenWrt,听过有大神推荐过jamvm,只有不到200个源文件,非常适合学习。

在工具的选择上,个人推荐SourceInsight。对比了好几个工具clion,vscode,sublime,sourceinsight,只有sourceinsight对索引、符号表的解析最准确。

5.2. 关于几个ClassLoader

参考这里

ClassLoader0:native的classloader,在JVM中用C写的,用于加载rt.jar的包,在Java中为空引用。

ExtClassLoader: 用于加载JDK中额外的包,一般不怎么用

AppClassLoader: 加载自己写的或者引用的第三方包,这个最常见

例子如下

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//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@4b67cf4d
//which class you create or jars from thirdParty
//第一个非常有歧义,但是它的确是AppClassLoader
ClassLoader.getSystemClassLoader();
com.test.App.getClass().getClassLoader();
Class.forName("ccom.test.App").getClassLoader()
//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@66d3c617
//Class loaded in ext jar
Class.forName("sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService")
//null, class loaded in rt.jar
String.class.getClassLoader()
Class.forName("java.lang.String").getClassLoader()
Class.forName("java.lang.Class").getClassLoader()
Class.forName("apple.launcher.JavaAppLauncher").getClassLoader()

最后就是getContextClassLoader(),它在Tomcat中使用,通过设置一个临时变量,可以向子类ClassLoader去加载,而不是委托给ParentClassLoader

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ClassLoader originalClassLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
try {
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(getClass().getClassLoader());
    // call some API that uses reflection without taking ClassLoader param
} finally {
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(originalClassLoader);
}

最后还有一些自定义的ClassLoader,实现加密、压缩、热部署等功能,这个是大坑,晚点再开。

5.3. 反射是否慢?

在Stackoverflow上认为反射比较慢的程序员主要有如下看法

  1. 验证等防御代码过于繁琐,这一步本来在link阶段,现在却在计算时进行验证
  2. 产生很多临时对象,造成GC与计算时间消耗
  3. 由于缺少上下文,丢失了很多运行时的优化,比如JIT(它可以看作JVM的重要评测标准之一)

当然,现代JVM也不是非常慢了,它能够对反射代码进行缓存以及通过方法计数器同样实现JIT优化,所以反射不一定慢。

更重要的是,很多情况下,你自己的代码才是限制程序的瓶颈。因此,在开发效率远大于运行效率的的基础上,大胆使用反射,放心开发吧。

参考文献

  1. http://www.codeceo.com/article/reflect-bad.html
  2. http://blog.csdn.net/lmj623565791/article/details/43452969
  3. http://codekk.com/open-source-project-analysis/detail/Android/Trinea/%E5%85%AC%E5%85%B1%E6%8A%80%E6%9C%AF%E7%82%B9%E4%B9%8BJava%20%E6%B3%A8%E8%A7%A3%20Annotation
  4. http://www.trinea.cn/android/java-annotation-android-open-source-analysis/

 

 

 

 

 

 

 

http://www.importnew.com/21189.html

深入分析Java ClassLoader原理

 

一、什么是ClassLoader?

大家都知道,当我们写好一个Java程序之后,不是管是CS还是BS应用,都是由若干个.class文件组织而成的一个完整的Java应用程序,当程序在运行时,即会调用该程序的一个入口函数来调用系统的相关功能,而这些功能都被封装在不同的class文件当中,所以经常要从这个class文件中要调用另外一个class文件中的方法,如果另外一个文件不存在的,则会引发系统异常。而程序在启动的时候,并不会一次性加载程序所要用的所有class文件,而是根据程序的需要,通过Java的类加载机制(ClassLoader)来动态加载某个class文件到内存当中的,从而只有class文件被载入到了内存之后,才能被其它class所引用。所以ClassLoader就是用来动态加载class文件到内存当中用的。

二、Java默认提供的三个ClassLoader

  1. BootStrap ClassLoader:称为启动类加载器,是Java类加载层次中最顶层的类加载器,负责加载JDK中的核心类库,如:rt.jar、resources.jar、charsets.jar等,可通过如下程序获得该类加载器从哪些地方加载了相关的jar或class文件:
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    URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
    for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
        System.out.println(urls[i].toExternalForm());
    }

    以下内容是上述程序从本机JDK环境所获得的结果:
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/resources.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/rt.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/sunrsasign.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jsse.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/jce.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/lib/charsets.jar
    file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.6.0_22/jre/classes/
    其实上述结果也是通过查找sun.boot.class.path这个系统属性所得知的。

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

    打印结果:C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes

  2. Extension ClassLoader:称为扩展类加载器,负责加载Java的扩展类库,默认加载JAVA_HOME/jre/lib/ext/目下的所有jar。
  3. App ClassLoader:称为系统类加载器,负责加载应用程序classpath目录下的所有jar和class文件。

注意: 除了Java默认提供的三个ClassLoader之外,用户还可以根据需要定义自已的ClassLoader,而这些自定义的ClassLoader都必须继承自java.lang.ClassLoader类,也包括Java提供的另外二个ClassLoader(Extension ClassLoader和App ClassLoader)在内,但是Bootstrap ClassLoader不继承自ClassLoader,因为它不是一个普通的Java类,底层由C++编写,已嵌入到了JVM内核当中,当JVM启动后,Bootstrap ClassLoader也随着启动,负责加载完核心类库后,并构造Extension ClassLoader和App ClassLoader类加载器。

三、ClassLoader加载类的原理

 1、原理介绍

ClassLoader使用的是双亲委托模型来搜索类的,每个ClassLoader实例都有一个父类加载器的引用(不是继承的关系,是一个包含的关系),虚拟机内置的类加载器(Bootstrap ClassLoader)本身没有父类加载器,但可以用作其它ClassLoader实例的的父类加载器。当一个ClassLoader实例需要加载某个类时,它会试图亲自搜索某个类之前,先把这个任务委托给它的父类加载器,这个过程是由上至下依次检查的,首先由最顶层的类加载器Bootstrap ClassLoader试图加载,如果没加载到,则把任务转交给Extension ClassLoader试图加载,如果也没加载到,则转交给App ClassLoader 进行加载,如果它也没有加载得到的话,则返回给委托的发起者,由它到指定的文件系统或网络等URL中加载该类。如果它们都没有加载到这个类时,则抛出ClassNotFoundException异常。否则将这个找到的类生成一个类的定义,并将它加载到内存当中,最后返回这个类在内存中的Class实例对象。

2、为什么要使用双亲委托这种模型呢?

因为这样可以避免重复加载,当父亲已经加载了该类的时候,就没有必要子ClassLoader再加载一次。考虑到安全因素,我们试想一下,如果不使用这种委托模式,那我们就可以随时使用自定义的String来动态替代java核心api中定义的类型,这样会存在非常大的安全隐患,而双亲委托的方式,就可以避免这种情况,因为String已经在启动时就被引导类加载器(Bootstrcp ClassLoader)加载,所以用户自定义的ClassLoader永远也无法加载一个自己写的String,除非你改变JDK中ClassLoader搜索类的默认算法。

3、 但是JVM在搜索类的时候,又是如何判定两个class是相同的呢?

JVM在判定两个class是否相同时,不仅要判断两个类名是否相同,而且要判断是否由同一个类加载器实例加载的。只有两者同时满足的情况下,JVM才认为这两个class是相同的。就算两个class是同一份class字节码,如果被两个不同的ClassLoader实例所加载,JVM也会认为它们是两个不同class。比如网络上的一个Java类org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple,javac编译之后生成字节码文件NetClassLoaderSimple.class,ClassLoaderA和ClassLoaderB这两个类加载器并读取了NetClassLoaderSimple.class文件,并分别定义出了java.lang.Class实例来表示这个类,对于JVM来说,它们是两个不同的实例对象,但它们确实是同一份字节码文件,如果试图将这个Class实例生成具体的对象进行转换时,就会抛运行时异常java.lang.ClassCaseException,提示这是两个不同的类型。现在通过实例来验证上述所描述的是否正确:

1)、在web服务器上建一个org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple.java类

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package org.classloader.simple;
public class NetClassLoaderSimple {
    private NetClassLoaderSimple instance;
    public void setNetClassLoaderSimple(Object obj) {
        this.instance = (NetClassLoaderSimple)obj;
    }
}

org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple类的setNetClassLoaderSimple方法接收一个Object类型参数,并将它强制转换成org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple类型。

2)、测试两个class是否相同(NetWorkClassLoader.java

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package classloader;
public class NewworkClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //测试加载网络中的class文件
            String rootUrl = "http://localhost:8080/httpweb/classes";
            String className = "org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple";
            NetworkClassLoader ncl1 = new NetworkClassLoader(rootUrl);
            NetworkClassLoader ncl2 = new NetworkClassLoader(rootUrl);
            Class<?> clazz1 = ncl1.loadClass(className);
            Class<?> clazz2 = ncl2.loadClass(className);
            Object obj1 = clazz1.newInstance();
            Object obj2 = clazz2.newInstance();
            clazz1.getMethod("setNetClassLoaderSimple", Object.class).invoke(obj1, obj2);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

首先获得网络上一个class文件的二进制名称,然后通过自定义的类加载器NetworkClassLoader创建两个实例,并根据网络地址分别加载这份class,并得到这两个ClassLoader实例加载后生成的Class实例clazz1和clazz2,最后将这两个Class实例分别生成具体的实例对象obj1和obj2,再通过反射调用clazz1中的setNetClassLoaderSimple方法。

3)、查看测试结果

结论:从结果中可以看出,虽然是同一份class字节码文件,但是由于被两个不同的ClassLoader实例所加载,所以JVM认为它们就是两个不同的类。

4、ClassLoader的体系架构:

验证ClassLoader加载类的原理:

测试1:打印ClassLoader类的层次结构,请看下面这段代码:

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ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();    //获得加载ClassLoaderTest.class这个类的类加载器
while(loader != null) {
    System.out.println(loader);
    loader = loader.getParent();    //获得父类加载器的引用
}
System.out.println(loader);

打印结果:

第一行结果说明:ClassLoaderTest的类加载器是AppClassLoader。

第二行结果说明:AppClassLoader的类加器是ExtClassLoader,即parent=ExtClassLoader。

第三行结果说明:ExtClassLoader的类加器是Bootstrap ClassLoader,因为Bootstrap ClassLoader不是一个普通的Java类,所以ExtClassLoader的parent=null,所以第三行的打印结果为null就是这个原因。

测试2:将ClassLoaderTest.class打包成ClassLoaderTest.jar,放到Extension ClassLoader的加载目录下(JAVA_HOME/jre/lib/ext),然后重新运行这个程序,得到的结果会是什么样呢?

打印结果:

打印结果分析:

为什么第一行的结果是ExtClassLoader呢?

因为ClassLoader的委托模型机制,当我们要用ClassLoaderTest.class这个类的时候,AppClassLoader在试图加载之前,先委托给Bootstrcp ClassLoader,Bootstracp ClassLoader发现自己没找到,它就告诉ExtClassLoader,兄弟,我这里没有这个类,你去加载看看,然后Extension ClassLoader拿着这个类去它指定的类路径(JAVA_HOME/jre/lib/ext)试图加载,唉,它发现在ClassLoaderTest.jar这样一个文件中包含ClassLoaderTest.class这样的一个文件,然后它把找到的这个类加载到内存当中,并生成这个类的Class实例对象,最后把这个实例返回。所以ClassLoaderTest.class的类加载器是ExtClassLoader。

第二行的结果为null,是因为ExtClassLoader的父类加载器是Bootstrap ClassLoader。

测试3:用Bootstrcp ClassLoader来加载ClassLoaderTest.class,有两种方式:

1、在jvm中添加-Xbootclasspath参数,指定Bootstrcp ClassLoader加载类的路径,并追加我们自已的jar(ClassTestLoader.jar)

2、将class文件放到JAVA_HOME/jre/classes/目录下(上面有提到)

方式1:(我用的是Eclipse开发工具,用命令行是在java命令后面添加-Xbootclasspath参数)

打开Run配置对话框:

配置好如图中所述的参数后,重新运行程序,产的结果如下所示:(类加载的过程,只摘下了一部份)

打印结果:

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[Loaded java.io.FileReader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.nio.cs.StreamDecoder from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.ArrayList from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.reflect.Array from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.Locale from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$Node from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.CharacterDataLatin1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.io.ObjectStreamClass from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.net.www.ParseUtil from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.BitSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.net.Parts from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.net.URLStreamHandler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.net.www.protocol.file.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.util.HashSet from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.net.www.protocol.jar.Handler from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded sun.misc.Launcher$AppClassLoader$1 from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.SystemClassLoaderAction from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Path C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]
[Loaded classloader.ClassLoaderTest from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes]
null  //这是打印的结果
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;
C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes;c:\ClassLoaderTest.jar 
//这一段是System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));打印出来的。这个路径就是Bootstrcp ClassLoader默认搜索类的路径
[Loaded java.lang.Shutdown from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar]

方式2:将ClassLoaderTest.jar解压后,放到JAVA_HOME/jre/classes目录下,如下图所示:

提示:jre目录下默认没有classes目录,需要自己手动创建一个

打印结果:

从结果中可以看出,两种方式都实现了将ClassLoaderTest.class由Bootstrcp ClassLoader加载成功了。

四、定义自已的ClassLoader

既然JVM已经提供了默认的类加载器,为什么还要定义自已的类加载器呢?

因为Java中提供的默认ClassLoader,只加载指定目录下的jar和class,如果我们想加载其它位置的类或jar时,比如:我要加载网络上的一个class文件,通过动态加载到内存之后,要调用这个类中的方法实现我的业务逻辑。在这样的情况下,默认的ClassLoader就不能满足我们的需求了,所以需要定义自己的ClassLoader。

定义自已的类加载器分为两步:

1、继承java.lang.ClassLoader

2、重写父类的findClass方法

读者可能在这里有疑问,父类有那么多方法,为什么偏偏只重写findClass方法?

因为JDK已经在loadClass方法中帮我们实现了ClassLoader搜索类的算法,当在loadClass方法中搜索不到类时,loadClass方法就会调用findClass方法来搜索类,所以我们只需重写该方法即可。如没有特殊的要求,一般不建议重写loadClass搜索类的算法。下图是API中ClassLoader的loadClass方法:

示例:自定义一个NetworkClassLoader,用于加载网络上的class文件

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package classloader;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.URL;
/**
 * 加载网络class的ClassLoader
 */
public class NetworkClassLoader extends ClassLoader {
    private String rootUrl;
    public NetworkClassLoader(String rootUrl) {
        this.rootUrl = rootUrl;
    }
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        Class clazz = null;//this.findLoadedClass(name); // 父类已加载  
        //if (clazz == null) {  //检查该类是否已被加载过
            byte[] classData = getClassData(name);  //根据类的二进制名称,获得该class文件的字节码数组
            if (classData == null) {
                throw new ClassNotFoundException();
            }
            clazz = defineClass(name, classData, 0, classData.length);  //将class的字节码数组转换成Class类的实例
        //}
        return clazz;
    }
    private byte[] getClassData(String name) {
        InputStream is = null;
        try {
            String path = classNameToPath(name);
            URL url = new URL(path);
            byte[] buff = new byte[1024*4];
            int len = -1;
            is = url.openStream();
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            while((len = is.read(buff)) != -1) {
                baos.write(buff,0,len);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (is != null) {
               try {
                  is.close();
               } catch(IOException e) {
                  e.printStackTrace();
               }
            }
        }
        return null;
    }
    private String classNameToPath(String name) {
        return rootUrl + "/" + name.replace(".", "/") + ".class";
    }
}

测试类:

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package classloader;
public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            /*ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();  //获得ClassLoaderTest这个类的类加载器
            while(loader != null) {
                System.out.println(loader);
                loader = loader.getParent();    //获得父加载器的引用
            }
            System.out.println(loader);*/
            String rootUrl = "http://localhost:8080/httpweb/classes";
            NetworkClassLoader networkClassLoader = new NetworkClassLoader(rootUrl);
            String classname = "org.classloader.simple.NetClassLoaderTest";
            Class clazz = networkClassLoader.loadClass(classname);
            System.out.println(clazz.getClassLoader());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

打印结果:

下图是我机器上web服务器的目录结构:

 

目前常用web服务器中都定义了自己的类加载器,用于加载web应用指定目录下的类库(jar或class),如:Weblogic、Jboss、tomcat等,下面我以Tomcat为例,展示该web容器都定义了哪些个类加载器:

1、新建一个web工程httpweb

2、新建一个ClassLoaderServletTest,用于打印web容器中的ClassLoader层次结构

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import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;
import javax.servlet.ServletException;
import javax.servlet.http.HttpServlet;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
public class ClassLoaderServletTest extends HttpServlet {
    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
            throws ServletException, IOException {
        response.setContentType("text/html");
        PrintWriter out = response.getWriter();
        ClassLoader loader = this.getClass().getClassLoader();
        while(loader != null) {
            out.write(loader.getClass().getName()+"");
            loader = loader.getParent();
        }
        out.write(String.valueOf(loader));
        out.flush();
        out.close();
    }
    public void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
            throws ServletException, IOException {
        this.doGet(request, response);
    }
}

3、配置Servlet,并启动服务

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  </servlet-mapping>
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  </welcome-file-list>
</web-app>

4、访问Servlet,获得显示结果