java几种类加载器及如何自定义类加载器

ClassLoader作用

  • 类加载流程的"加载"阶段是由类加载器完成的。

类加载器结构

结构:BootstrapClassLoader(祖父)-->ExtClassLoader(爷爷)-->AppClassLoader(也称为SystemClassLoader)(爸爸)-->自定义类加载器(儿子)

关系:看括号中的排位;彼此相邻的两个为父子关系,前为父,后为子

注意,这里的父子关系并不是通过继承构建的,而是在创建子加载器时,将父加载器通过setParent设置进去的,也就是组合模式,而非继承模式

BootstrapClassLoader

  • 下边简称为boot
  • C++编写
  • 为ExtClassLoader的父类,但是通过ExtClassLoader的getParent()获取到的是null(在类加载器部分:null就是指boot)
  • 主要加载:\Java\jdk1.6\jre\lib*.jar(最重要的就是:rt.jar)

ExtClassLoader:

  • 下边简称为ext
  • java编写,位于sun.misc包下,该包在你导入源代码的时候是没有的,需要重新去下
  • 主要加载:\Java\jdk1.6\jre\lib\ext*.jar(eg.dnsns.jar)

AppClassLoader:

  • 下边简称为app
  • java编写,位于sun.misc包下
  • 主要加载:类路径下的jar,也就是classpath下的类,包括编译后的classes文件夹下的class文件和jar包中的class文件

自定义类加载器:

  • 下边简称为custom,自定义加载器的parent为AppClassLoader
  • 自己编写的类加载器,需要继承ClassLoader类或URLClassLoader,并至少重写其中的findClass(String name)方法,若想打破双亲委托机制,需要重写loadClass方法
  • 主要加载:自己指定路径的class文件

类加载器之间的关系见下图

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不同类加载器的命名空间关系

咱们先回顾一下命名空间的概念:

  • 每个类加载器都有自己的命名空间。命名空间由该加载器和所有父加载器所加载的类组成。(请结合下图一起看,想明白)
  • 在同一个命名空间中,不会出现类的完整名字(包括类的包名)相同的两个类。
  • 在不同的命名空间中,有可能会出现类的完整名字(包括类的包名)相同的两个类。

得出命名空间的关系如下:(请结合下图一起看,想明白)

  • 同一个命名空间的类是相互可见的。
  • 子加载器的命名空间包含所有父加载器的命名空间。因此由子加载器加载的类能看见父加载器加载的类。例如系统类加载器能看见根类加载器加载的类。
  • 由父类加载器加载的类不能看见子加载器加载的类。
  • 如果两个加载器没有父子关系,那么他们自己加载的类互相不可见。
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这样,子加载器的命名空间,包含了父加载器的命名空间,就可以保证,子加载器加载的类,可以使用父加载器加载的类。也就是说,父加载器加载的类,对子加载器可见,同级别加载器加载的类,不可见

类的唯一性

在运行期,一个类的唯一性是由以下2点共同决定:

  1. 该类的完全限定名(binary name)。(包+类名)
  2. 用于加载该类的[定义类加载器],即defining class loader。
    上述2点都一样,才代表该类(可以理解为该类的Class对象)是一样的。
    如果同样的名字,不同的类加载器加载,那么这2个类是不一样的。即使.class文件完全一样,.class文件路径一样,这2个类也是不一样的。

双亲委托机制

这也是类加载器加载一个类的整个过程。

过程:假设我现在从类路径下加载一个类A,

1)那么app会先查找是否加载过A,若有,直接返回;

2)若没有,去ext检查是否加载过A,若有,直接返回;

3)若没有,去boot检查是否加载过A,若有,直接返回;

4)若没有,那就boot加载,若在E:\Java\jdk1.6\jre\lib*.jar下找到了指定名称的类,则加载,结束;

5)若没找到,boot加载失败;

6)ext开始加载,若在E:\Java\jdk1.6\jre\lib\ext*.jar下找到了指定名称的类,则加载,结束;

7)若没找到,ext加载失败;

8)app加载器加载,若在类路径classpath)下找到了指定名称的类,则加载,结束;

9)若没有找到,抛出异常ClassNotFoundException

注意:

  • 在上述过程中的1)2)3)4)6)8)后边,都要去判断是否需要进行"解析"过程 ("解析"见 第四章 类加载机制)
  • 类的加载过程只有向上的双亲委托,没有向下的查询和加载,假设是ext在E:\Java\jdk1.6\jre\lib\ext*.jar下加载一个类,那么整个查询与加载的过程与app无关。
  • 假设A加载成功了,那么该类就会缓存在当前的类加载器实例对象C中,key是(A,C)(其中A是类的全类名,C是加载A的类加载器对象实例),value是对应的java.lang.Class对象
  • 上述的1)2)3)都是从相应的类加载器实例对象的缓存中进行查找
  • 进行缓存的目的是为了同一个类不被加载两次
  • 使用(A,C)做key是为了隔离类,假设现在有一个类加载器B也加载了A,key为(A,B),则这两个A是不同的A。这种情况怎么发生呢?
    • 假设有custom1、custom2两个自定义类加载器,他们是兄弟关系,同时加载A,这就是有可能的了

总结:

  • 从底向上检查是否加载过指定名称的类;从顶向下加载该类。(在其中任何一个步骤成功之后,都会中止类加载过程)
  • 双亲委托的好处:假设自己编写了一个java.lang.Object类,编译后置于类路径下,此时在系统中就有两个Object类,一个是rt.jar的,一个是类路径下的,在类加载的过程中,当要按照全类名去加载Object类时,根据双亲委托,boot会加载rt.jar下的Object类,这是方法结束,即类路径下的Object类就没有加载了。这样保证了系统中类不混乱。

ClassLoader.java类提供了loadClass方法,确保双亲委派机制,如下

/**
     * 根据指定的binary name加载class。
     * 步驟:
     * 假设我现在从类路径下加载一个类A,
     * 1)那么app会先查找是否加载过A(findLoadedClass(name)),若有,直接返回;
     * 2)若没有,去ext检查是否加载过A(parent.loadClass(name, false)),若有,直接返回;
     * findBootstrapClassOrNull(name) 3)4)5)都是这个方法
     * 3)若没有,去boot检查是否加载过A,若有,直接返回;
     * 4)若没有,那就boot加载,若在E:\Java\jdk1.6\jre\lib\*.jar下找到了指定名称的类,则加载,结束;
     * 5)若没找到,boot加载失败;
     * findClass(name) 6)7)8)9)都是这个方法
     * 在findClass中调用了defineClass方法,该方法会生成当前类的java.lang.Class对象
     * 6)ext开始加载,若在E:\Java\jdk1.6\jre\lib\ext\*.jar下找到了指定名称的类,则加载,结束;
     * 7)若没找到,ext加载失败;
     * 8)app加载,若在类路径下找到了指定名称的类,则加载,结束;
     * 9)若没有找到,抛出异常ClassNotFoundException
     * 注意:在上述过程中的1)2)3)4)6)8)后边,都要去判断是否需要进行"解析"过程
     */
    protected synchronized Class loadClass(String name, boolean resolve)
            throws ClassNotFoundException {
        Class c = findLoadedClass(name);//检查要加载的类是不是已经被加载了
        if (c == null) {//没有被加载过
            try {
                if (parent != null) {
                    //如果父加载器不是boot,递归调用loadClass(name, false)
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {//父加载器是boot
                    /*
                     * 返回一个由boot加载过的类;3)
                     * 若没有,就去试着在E:\Java\jdk1.6\jre\lib\*.jar下查找 4)
                     * 若在bootstrap class loader的查找范围内没有查找到该类,则返回null 5)
                     */
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                //父类加载器无法完成加载请求
            }
            if (c == null) {
                //如果父类加载器未找到,再调用本身(这个本身包括ext和app)的findClass(name)来查找类
                c = findClass(name);
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
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ClassLoader类提供了findClass方法的空实现,jdk1.2以后,用户如果需要自定义类加载器,只需要继承自ClassLoader,然后覆写findClass方法,这样可以确保双亲委派机制。jdk1.2以前,用户需要重写loadClass方法。

AppClassLoader(系统加载器)和ExtClassLoader(扩展类加载器)都继承自URLClassLoader,URLClassLoader覆写了findClass方法

说明:

  • 该段代码中引用的大部分方法实质上都是native方法

  • 其中findClass方法的类定义如下:

    /**
         * 查找指定binary name的类
         * 该类应该被ClassLoader的实现类重写
         */
        protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            throw new ClassNotFoundException(name);
        }
    

    关于findClass可以查看URLClassLoader.findClass(final String name),其中引用了defineClass方法,在该方法中将二进制字节流转换为了java.lang.Class对象。

递归基于栈实现。

上述的代码如果不清楚递归的意义是看不清的。

解释:

  • app的loadClass()方法执行到ext的loadClass(),这时候对于app_loadClass()中剩余的findClass()会在栈中向下压;
  • 然后执行ext_loadClass(),当执行到findBootstrapClassOrNull(name),这时候ext_loadClass()中剩余的findClass()也会从栈顶向下压,此时ext_loadClass()_findClass()仅仅位于app_loadClass()_findClass()的上方;
  • 然后执行findBootstrapClassOrNull(name),当boot检测过后并且执行完加载后并且没成功,boot方法离开栈顶;
  • 然后执行此时栈顶的ext_loadClass()_findClass()
  • 然后执行此时栈顶的app_loadClass()_findClass()

这样,就完成了双亲委托机制。

实验

  1. 定义pojo类
public class MyPerson {
 
    private MyPerson myPerson;
 
    public void  setMyPerson(Object obj){
        this.myPerson = (MyPerson)obj;
    }
}
  1. 定义自定义类加载器
package com.hisense.testbean.classloader;

import java.io.*;

public class CustomizedClassLoader extends ClassLoader {

    private String classLoaderName;

    private String path;

    private String fileExtension = ".class";

    public CustomizedClassLoader(String classLoaderName) {
        super();
        this.classLoaderName = classLoaderName;
    }

    public CustomizedClassLoader(ClassLoader parent, String classLoaderName) {
        super(parent);
        this.classLoaderName = classLoaderName;
    }

    @Override
    public Class findClass(String className) throws ClassNotFoundException {
        System.out.println("findClass invoked : " + className);
        System.out.println("class loader name : " + this.classLoaderName);
        byte[] data = this.loadClassData(className);

        return this.defineClass(className, data, 0, data.length);
    }

    private byte[] loadClassData(String className) {
        byte[] data = null;
        className = className.replace(".", "/");
        try(InputStream is = new FileInputStream(new File(this.path + className + this.fileExtension));
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream()) {
            int ch;
            while(-1 != (ch = is.read())) {
                baos.write(ch);
            }
            data = baos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return data;
    }

    public void setPath(String path) {
        this.path = path;
    }
}

测试1

public class TestClassLoaderNameSpace {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        CustomizedClassLoader loader1 = new CustomizedClassLoader("loader1");
        CustomizedClassLoader loader2 = new CustomizedClassLoader("loader2");
        String path = "";
        System.out.println(path);
        loader1.setPath(path);
        loader2.setPath(path);
        Class clazz1 = loader1.loadClass("com.hisense.testbean.classloader.MyPerson");
        Class clazz2 = loader2.loadClass("com.hisense.testbean.classloader.MyPerson");

        System.out.println("clazz1的classLoader是" + clazz1.getClassLoader());
        System.out.println("clazz2的classLoader是" + clazz2.getClassLoader());
        System.out.println( clazz1 == clazz2);
 
        Object object1 = clazz1.newInstance();
        Object object2 = clazz2.newInstance();
        Method method = clazz1.getMethod("setMyPerson", Object.class);
        method.invoke(object1, object2);
    }
}

设置path为“”,实际上时设置类的加载路径为classpath,此时根据类的加载机制

第一次调用

loader1.loadClass("com.hisense.testbean.classloader.MyPerson");

CustomizedClassLoader(未找到)->app(未找到)->ext(未找到,向bootstrap查找,调用findBootstrapClassOrNull(name))->ext(调用ext的findclass,不是/java/ext路径,递归栈返回)->app(调用app的findclass(),发现类属于classpath路径,加载类,通过defineclass完成加载类)

第二次调用

loader2.loadClass("com.hisense.testbean.classloader.MyPerson");

CustomizedClassLoader(未找到)->app(已经加载过,缓存中找到)直接返回加载的类person

因此,person的加载器实际上为AppClassLoader

以上输出为:

clazz1的classLoader是sun.misc.Launcher$AppClassLoader@14dad5dc
clazz2的classLoader是sun.misc.Launcher$AppClassLoader@14dad5dc
true

测试2

注意:

需要删除target下的person.class文件,否则会优先通过app加载器,取classpath下加载,自定义的CustomizedClassLoader就不会加载了

public class TestClassLoaderNameSpace {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        CustomizedClassLoader loader1 = new CustomizedClassLoader("loader1");
        CustomizedClassLoader loader2 = new CustomizedClassLoader("loader2");
        String path = "D:/test/";
        System.out.println(path);
        loader1.setPath(path);
        loader2.setPath(path);
        Class clazz1 = loader1.loadClass("com.hisense.testbean.classloader.MyPerson");
        Class clazz2 = loader2.loadClass("com.hisense.testbean.classloader.MyPerson");

        System.out.println("clazz1的classLoader是" + clazz1.getClassLoader());
        System.out.println("clazz2的classLoader是" + clazz2.getClassLoader());
        System.out.println( clazz1 == clazz2);
 
        Object object1 = clazz1.newInstance();
        Object object2 = clazz2.newInstance();
        Method method = clazz1.getMethod("setMyPerson", Object.class);
        method.invoke(object1, object2);
    }
}

手动把Person.java编译为Person.class,拷贝到"D:/test/"下,设置类的加载路径为"D:/test/",由于"D:/test/"不在系统classpath路径下,因此加载时,

CustomizedClassLoader(未找到)->app(未找到)->ext(未找到,向bootstrap查找,调用findBootstrapClassOrNull(name))->ext(调用ext的findclass,不是/java/ext路径,递归栈返回)->app(调用app的findclass(),不是classpath下的路径,不加载,递归栈返回)->CustomizedClassLoader(调用自己的findClass方法,自己取D:/test/下加载类),加载完成,返回类

此时,调用自定义加载器CustomizedClassLoader的findClass加载类,但是由于CustomizedClassLoader不是单例,此处我们定义了两个CustomizedClassLoader的实例loader1和loader2,loader1加载完以后,同级别的loader2并不知道person类的存在,因此loader2会再次加载一次。因此,二者不是同一个class类实例。彼此不可见

输出

D:/test/
findClass invoked : com.hisense.testbean.classloader.MyPerson
class loader name : loader1
findClass invoked : com.hisense.testbean.classloader.MyPerson
class loader name : loader2
clazz1的classLoader是com.hisense.testbean.classloader.CustomizedClassLoader@340f438e
clazz2的classLoader是com.hisense.testbean.classloader.CustomizedClassLoader@2d6e8792
false
Exception in thread "main" java.lang.reflect.InvocationTargetException
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:497)
    at com.hisense.testbean.classloader.TestClassLoaderNameSpace2.main(TestClassLoaderNameSpace2.java:23)
Caused by: java.lang.ClassCastException: com.hisense.testbean.classloader.MyPerson cannot be cast to com.hisense.testbean.classloader.MyPerson
    at com.hisense.testbean.classloader.MyPerson.setMyPerson(MyPerson.java:8)
    ... 5 more

报错,说明两个person类时不可见的,因为二者时不同加载器加载的

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