JVM底层之ClassLoader源码解析及自定义ClassLoader

1.JVM运行流程

JVM运行流程如下图所示：

JVM运行流程.png

2.JVM基本结构

JVM基本机构包括：类加载器，执行引擎，运行时数据区，本地接口
Class Files-->ClassLoader-->运行时数据区-->执行引擎（本地库接口）-->本地方法库
具体参考我之前的文章：jvm内存模型概述

3.ClassLoader双亲委派模型

由上面的概念可知，ClassLoader的作用就是将字节码文件（Class Files）加载到运行时数据区。

3.1类的装载过程

加载-->连接（验证、准备、解析）-->初始化-->使用-->卸载

说明：在此只是简单的介绍一下类的装载过程，详细的过程请自行百度。

加载：取得类的字节码文件的二进制字节流，加载之后会产生一个类对象（Class对象：保存类的定义或者结构，放入堆中）
初始化：执行类的构造器，为类的一些静态变量赋予正确的初始值
初始化的代码事例如下图所示：

类的装载-初始化.png

注意：static块中的变量必须在static块之前声明，否则只能写，不能读。

构造器包含以下内容：
a.static变量（不能是final修饰的常量）
b.static块

构造器与构造方法的区别：
a.构造器：构造Class对象
b.构造方法：实例化对象，先要执行类的构造器，才能实例化对象

3.2 ClassLoader简介

JDK已有的ClassLoader：
Bootstrap ClassLoader（启动加载器，必须要首先启动JVM，通过C++实现，存在于JVM的内核中，用null表示）：主要加载jdk lib下的rt.jar等
Extension ClassLoader （Java实现，继承自ClassLoader）：加载%JAVA_HOME%/lib/ext/*.jar
App ClassLoader（Java实现，继承自ClassLoader）:加载classpath下的jar
自定义类加载器，也必须继承自ClassLoader：加载自定义路径下的jar

3.3 双亲委派模型

类加载器都有一个父类加载器先执行，他与父类加载器不是继承关系，而是组合关系（成员变量）。
他加载的任务必须先委托给他的父类加载器，如果父类没有加载到这个类，则继续由发起加载的这个类加载器加载（子类需要重写findClass方法），如果没有加载到，则报出ClassNotFoudException

注意：
a.使用双亲委派模型的原因：避免类的重复加载，不会产生不必要的安全隐患
b.findClass的目的就是用来实现自定义ClassLoader的方法（建议重写findClass，不建议重写loadClass）

4.ClassLoader源码解析

ClassLoader主要方法LoadClass，实现了加载类的二进制字节流的功能

loadClass.png

继续往下看，

image.png

红圈序号说明如下：

1. 先根据传入的全限定名称加载Class对象
2. 如果class对象为空的情况，分别对应以下两种情况：
   • 如果他的父类加载器不为空，则由父类加载器执行类的装载工作
   • 如果父类加载器为空，则由Bootstrap ClassLoader执行类的装载工作，此时其实由JVM内核执行加载动作，代码如下所示：

image.png

3. 如果class对象为空的话，则由子类的findClass实现类的装载工作

image.png

image.png

一般情况下，实现自定义类加载器则需要重写findClass方法即可。

5.从源码分析实现自定义类加载器

测试代码用idea开发，代码结构如下：

代码结构.png

a. 自定义ClassLoader类如下：

package lyx.demo.classloader;

import java.io.*;

/**
 * Created by landyChris on 2017/10/29.
 */
public class MyClassLoader extends ClassLoader {

    private String path;//加载类的路径
    private String name;//类加载器的名称

    //指定父类加载器
    public MyClassLoader(ClassLoader parent, String path, String name) {
        super(parent);//显示指定父类加载器
        this.path = path;
        this.name = name;
    }

    public MyClassLoader(String path, String name) {
        super();//让系统类加载器成为该类的父加载器
        this.path = path;
        this.name = name;
    }

    /**
     * 通过自定义ClassLoader加载我们自己定义的类
     * @param name 全路径名称，类似：lyx.demo.xxx.Demo
     * @return
     * @throws ClassNotFoundException
     */
    @Override
    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] data = readClassFile2ByteArray(name);
        return this.defineClass(name,data,0,data.length);
    }

    /**
     * 获取.class字节数组
     * lyx.demo.xxx.Demo-->d:/lyx/demo/xxx/Demo.class
     * @param name
     * @return
     */
    private byte[] readClassFile2ByteArray(String name) {

        InputStream is = null;

        byte returnData[] = null;

        name = name.replaceAll("\\.", File.separator);

        String filePath = this.path + name + ".class";

        File file = new File(filePath);

        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();

        try {
            is = new FileInputStream(file);

            int tmp = 0;
            while ((tmp = is.read()) != -1){
                baos.write(tmp);
            }
            returnData = baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //关闭流
            try {
                if(is != null) {
                    is.close();
                }
                if(baos != null) {
                    baos.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        return returnData;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return this.name;
    }
}

b. 新建一个Test类，用于测试用途，代码如下：

public class Test {
  public Test() {
    System.out.println("A ClassLoader:" + this.getClass().getClassLoader()       + " from classpath");
  }
}

然后在自己的某个盘符下新建一个目录，比如我电脑是d:/tmp

image.png

还是上面的Test类，只是把打印信息改为以下语句：

System.out.println("A ClassLoader:" + this.getClass().getClassLoader() + " from customer ,path=d:/tmp");

image.png

在d:tmp目录下编译好后，如下图所示：

image.png

c.编写测试类

package lyx.demo.classloader;

/**
 * Created by landyChris on 2017/10/29.
 */
public class TestClassLoader {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        MyClassLoader loader = new MyClassLoader(null,"d:/tmp/","landy");
        Class c = loader.loadClass("Test");
        c.newInstance();
    }
}

如上代码，运行结果如下：

image.png

以上结果说明：ClassLoader的执行是符合双亲委派模型的，它会先让父类加载器（App ClassLoader）执行loadClass的动作，如果找到Test类则直接返回，此例中，在该classpath下是有Test类的，如下图所示：

image.png

为了达到我们需要执行的是d:/tmp目录下的Test类，我们可以两种做法，一种是直接删除idea工程中的Test类。一种是利用：启动加载器可以用null值表示，我们可以修改以下代码达到目的：

MyClassLoader loader = new MyClassLoader(null,"d:/tmp/","landy");

结果如下：

image.png

到此，已得到想要的结果。

事例代码地址：https://github.com/landy8530/interview