深入分析Java ClassLoader原理.docx
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深入分析JavaClassLoader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
BootStrapClassLoader:
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:
[java]viewplaincopy
1URL[]urls=sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
1for(inti=0;i 1System.out.println(urls[i].toExternalForm()); 1} 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。 [java]viewplaincopy 1System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path")); 2打印结果: C: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar;C: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jsse.jar;C: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\jce.jar;C: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\charsets.jar;C: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes 3ExtensionClassLoader: 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。 4AppClassLoader: 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(ExtensionClassLoader和AppClassLoader)在内,但是BootstrapClassLoader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,BootstrapClassLoader也随着启动,负责加载完核心类库后,并构造ExtensionClassLoader和AppClassLoader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(BootstrapClassLoader)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BootstrapClassLoader试图加载,如果没加载到,则把任务转交给ExtensionClassLoader试图加载,如果也没加载到,则转交给AppClassLoader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(BootstrcpClassLoader)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 [java]viewplaincopy 5packageorg.classloader.simple; 6 7publicclassNetClassLoaderSimple{ 8 9privateNetClassLoaderSimpleinstance; 10 11publicvoidsetNetClassLoaderSimple(Objectobj){ 12this.instance=(NetClassLoaderSimple)obj; 13} 14} 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) [java]viewplaincopy 15packageclassloader; 16 17publicclassNewworkClassLoaderTest{ 18 19publicstaticvoidmain(String[]args){ 20try{ 21//测试加载网络中的class文件 22StringrootUrl="http: //localhost: 8080/httpweb/classes"; 23StringclassName="org.classloader.simple.NetClassLoaderSimple"; 24NetworkClassLoaderncl1=newNetworkClassLoader(rootUrl); 25NetworkClassLoaderncl2=newNetworkClassLoader(rootUrl); 26Class >clazz1=ncl1.loadClass(className); 27Class >clazz2=ncl2.loadClass(className); 28Objectobj1=clazz1.newInstance(); 29Objectobj2=clazz2.newInstance(); 30clazz1.getMethod("setNetClassLoaderSimple",Object.class).invoke(obj1,obj2); 31}catch(Exceptione){ 32e.printStackTrace(); 33} 34} 35 36} 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: [java]viewplaincopy 37ClassLoaderloader=ClassLoaderTest.class.getClassLoader();//获得加载ClassLoaderTest.class这个类的类加载器 38while(loader! =null){ 39System.out.println(loader); 40loader=loader.getParent();//获得父类加载器的引用 41} 42System.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BootstrapClassLoader,因为BootstrapClassLoader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ExtensionClassLoader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BootstrcpClassLoader,BootstracpClassLoader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ExtensionClassLoader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BootstrapClassLoader。 测试3: 用BootstrcpClassLoader来加载ClassLoaderTest.class,有两种方式: 1、在jvm中添加-Xbootclasspath参数,指定BootstrcpClassLoader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: [java]viewplaincopy 43[Loadedjava.io.FileReaderfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 44[Loadedsun.nio.cs.StreamDecoderfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 45[Loadedjava.util.ArrayListfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 46[Loadedjava.lang.reflect.ArrayfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 47[Loadedjava.util.LocalefromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 48[Loadedjava.util.concurrent.ConcurrentMapfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 49[Loadedjava.util.concurrent.ConcurrentHashMapfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 50[Loadedjava.util.concurrent.locks.LockfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 51[Loadedjava.util.concurrent.locks.ReentrantLockfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 52[Loadedjava.util.concurrent.ConcurrentHashMap$SegmentfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 53[Loadedjava.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizerfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 54[Loadedjava.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizerfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 55[Loadedjava.util.concurrent.locks.ReentrantLock$SyncfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 56[Loadedjava.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSyncfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 57[Loadedjava.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$NodefromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 58[Loadedjava.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntryfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 59[Loadedjava.lang.CharacterDataLatin1fromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 60[Loadedjava.io.ObjectStreamClassfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 61[Loaded.www.ParseUtilfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 62[Loadedjava.util.BitSetfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 63[Loaded.PartsfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 64[Loaded.URLStreamHandlerfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 65[Loaded.www.protocol.file.HandlerfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 66[Loadedjava.util.HashSetfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 67[Loaded.www.protocol.jar.HandlerfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 68[Loadedsun.misc.Launcher$AppClassLoaderfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 69[Loadedsun.misc.Launcher$AppClassLoader$1fromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 70[Loadedjava.lang.SystemClassLoaderActionfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar] 71[PathC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes] 72[Loadedclassloader.ClassLoaderTestfromC: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\classes] 73null//这是打印的结果 74C: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\resources.jar;C: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\rt.jar; 75C: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_22\jre\lib\sunrsasign.jar;C: \ProgramFiles\Java\jdk1.6.0_
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