ClassLoader是什么
java.lang.ClassLoader类的基本职责就是根据一个指定的类的名称,找到或者生成其对应的字节代码,然后从这些字节代码中定义出一个Java 类,即 java.lang.Class类的一个实例。
ClassLoader提供了一系列的方法,比较重要的方法如:
JVM中类加载器的层次结构
Java 中的类加载器大致可以分成两类,一类是系统提供的,另外一类则是由 Java 应用开发人员编写的。
引导类加载器(bootstrap class loader):
它用来加载 Java 的核心库(jre/lib/rt.jar),是用原生C++代码来实现的,并不继承自java.lang.ClassLoader。
加载扩展类和应用程序类加载器,并指定他们的父类加载器,在java中获取不到。
扩展类加载器(extensions class loader):
它用来加载 Java 的扩展库(jre/ext/*.jar)。Java 虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。该类加载器在此目录里面查找并加载 Java 类。
系统类加载器(system class loader):
它根据 Java 应用的类路径(CLASSPATH)来加载 Java 类。一般来说,Java 应用的类都是由它来完成加载的。可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它。
自定义类加载器(custom class loader):
除了系统提供的类加载器以外,开发人员可以通过继承 java.lang.ClassLoader类的方式实现自己的类加载器,以满足一些特殊的需求。
双亲委派模型
原理介绍
备注:上图表示的是包含关系,不是继承关系
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。
为什么要使用双亲委托这种模型:避免类的重复加载
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。
如何判定两个class是相同:同一个类加载器加载的&类名相同
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.ClassCastException,提示这是两个不同的类型。
双亲委派关系不是继承关系!
- 双亲委派在代码实现上,采用的关联关系,即下层ClassLoader保存了上层ClassLoader的引用。这种关系和ClassLoader子类的继承关系并没有直接关系,也不存在对等关系。
- ClassLoader类体系中,BootstrapClassLoader是非JAVA的,独立存在。ClassLoader类本身是一个抽象类,是一切ClassLoader子类的最父类。而做为JAVA预置的ExtClassLoader和AppClassLoaer,其直接父类是我们常用来动态加载JAR包的URLClassLoader。我们自定义ClassLoader时通常全直接继承抽象的ClassLoader类做为直接父类。
自定义ClassLoader
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。
步骤
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
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:
Sample:自定义一个NetworkClassLoader,用于加载网络上的class文件
1 | package classloader; |
关于defineClass
defineClass将class的字节码数组转换成Class类的实例。其内部过程如下:
JVM将类加载过程分为三个步骤:装载(Load),链接(Link)和初始化(Initialize)
1) 装载:
查找并加载类的二进制数据;
2)链接:
验证:确保被加载类信息符合JVM规范、没有安全方面的问题。
准备:为类的静态变量分配内存,并将其初始化为默认值。
解析:把虚拟机常量池中的符号引用转换为直接引用。
3)初始化:
为类的静态变量赋予正确的初始值。
应用场景
动态加载JAR包或.class文件
两种作用域
第一种方法:1
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3URL url= file.toURI().toURL();//将File类型转为URL类型,file为jar包路径
URLClassLoader urlClassLoader=new URLClassLoader(new URL[] {url});
Class c=urlClassLoader.loadClass("类名");
此种方法是构造一个新的URLClassLoader对象,利用该对象加载指定路径下的jar包,此种方法只能在此处加载该jar包中的类,调用其方法,不能在程序中的其他地方调用。如果将urlClassLoader声明为静态的则可以在其它地方调用
第二种方法:1
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10URL url= file.toURI().toURL();//将File类型转为URL类型,file为jar包路径
//得到系统类加载器
URLClassLoader urlClassLoader= (URLClassLoader) ClassLoader.getSystemClassLoader();
//因为URLClassLoader中的addURL方法的权限为protected所以只能采用反射的方法调用addURL方法
Method add = URLClassLoader.class.getDeclaredMethod("addURL", new Class[] { URL.class });
add.setAccessible(true);
add.invoke(urlClassLoader, new Object[] {url });
Class c=Class.forName("类名");
//或者
Class c=urlClassLoader.loadClass("类名");
此种方法是得到系统类加载器,利用该加载器加载指定路径下的jar包,此种方法与java命令中的javac -cp是同等效果,都能在当前运行环境中改变CLASSPATH,所以利用该方法加载jar包后,在程序任一地方都能加载该jar包中的类,调用其方法。
导入多个jar包时,第一种方法加载jar包中的类时,需知道加载该jar包的URLClassLoader,第二种方法则不需要,可使用Class.forName(“类名”);加载类
基于Interface或顶层父类
1、定义接口1
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9package loader;
public interface HelloIface {
public String hello();
public String sayHi(String name);
}
2、实现接口
在其他插件类实现此接口,并导出为jar,如D:/tmp/test.jar1
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14package loader;
public class HelloImpl implements HelloIface{
public String hello() {
return "hello,JAVA世界";
}
public String sayHi() {
return "Hi,JAVA World " + name;
}
}
3、动态加载类1
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52import java.lang.reflect.Method;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;
public class LoadJar {
public static void main(String[] args) {
String classPath = "loader.HelloImpl";// Jar中的所需要加载的类的类名
String jarPath = "file:///D:/tmp/test.jar";// jar所在的文件的URL
loadJar1(classPath, jarPath);
loadClass(classPath);
loadJar2(classPath, jarPath);
loadClass(classPath);
}
public static void loadJar1(String classPath, String jarPath) {
ClassLoader cl;
try {
// 从Jar文件得到一个Class加载器
cl = new URLClassLoader(new URL[] { new URL(jarPath) });
// 从加载器中加载Class
Class<?> c = cl.loadClass(classPath);
// 从Class中实例出一个对象
HelloIface impl = (HelloIface) c.newInstance();
// 调用Jar中的类方法
System.out.println(impl.hello());
System.out.println(impl.sayHi("zhangsan"));
try {
HelloIface impl2 = (HelloIface) Class.forName(classPath)
.newInstance();
System.out.println(impl2.hello());
} catch (ClassNotFoundException e) {
System.out.println("非系统加载器加载的JAR,不能通过Class.forName使用");
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void loadClass(String classPath){
try {
HelloIface impl2 = (HelloIface) Class.forName(classPath)
.newInstance();
System.out.println(impl2.hello());
} catch (Exception e) {
System.out.println("非系统加载器加载的JAR,不能通过Class.forName使用");
}
}
}
基于反射
在使用第三方jar和.class文件时,无法定义契约的情况下,可以在分析jar或.class文件的元信息,通过反射实现功能调用。1
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18public static void loadJar2(String classPath, String jarPath) {
URLClassLoader urlLoader = (URLClassLoader) ClassLoader.getSystemClassLoader();
Class<URLClassLoader> sysClass = URLClassLoader.class;
try {
//改变方法的可见性(即通过反映访问本来不可以访问的方法)
Method method = sysClass.getDeclaredMethod("addURL", new Class[] { URL.class });
method.setAccessible(true);
method.invoke(urlLoader, new URL(jarPath));
Class<?> objClass = urlLoader.loadClass(classPath);
Object instance = objClass.newInstance();
Method method2 = objClass.getDeclaredMethod("sayHi", new Class[]{ String.class});
System.out.println(method2.invoke(instance, "zhangsan"));
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
插件技术
插件技术是一种通用技术,在Java语境下,该技术是借助ClassLoader动态加载机制来实现的。