jvm类加载机制

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1. ClassLoader
  类加载器(class loader)用来加载 Java 类到 Java 虚拟机中。Java 源程序(.java 文件)在经过 Java 编译器编译之后就被转换成 Java 字节代码(.class 文件)。类加载器负责读取 Java 字节代码,并转换成 java.lang.Class 类的一个实例。

 

2. ClassLoader Hierarchy
  JVM在加载类时,使用的是双亲委托模式(delegation model),也就是说除了Bootstrap ClassLoader之外,每个ClassLoader都有一个Parent ClassLoader。ClassLoader是按需进行加载class文件。当ClassLoader试图加载一个类时,首先检查本地缓冲,查看类是 否已被加载,如果类没有被加载,尝试委托给父ClassLoader进行加载,如果父ClassLoader加载失败,才会由该ClassLoader进 行加载,从而避免了重复加载的问题。一下为类装载器层次图:
jvm类加载机制
 Bootstrap ClassLoader:负责加载java_home/lib目录下的核心类或- Xbootclasspath指定目录下的类。
  Extension ClassLoader:负责加载java_home/lib/ext目录下的扩展类或 -Djava.ext.dirs 指定目录下的类。
  System ClassLoader:负责加载-classpath/-Djava.class.path所指的目录下的类。
  如果类App1在本地缓冲中没有class文件(没有被加载),那么它会自底向上依次查找是否已经加载了类,如果已经加载,则直接返回该类实例的引用。如 果BootstrapClassLoader也未成功加载该类,那么会抛出异常,然后自顶向下依次尝试加载,如果到App1 ClassLoader还没有加载成功,那么会抛出ClassNotFoundException异常给调用者。

    public static void main(String[] args) {  
            ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();  
            while(cl != null){  
                System.out.println(cl);  
                System.out.println("parent class loader: " + cl.getParent());  
                cl = cl.getParent();  
            }  
        }  

 

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f  
parent class loader: sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@addbf1  
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@addbf1  
parent class loader: null 

 我们看到,当前系统类装载器为AppClassLoader,AppClassLoader的父类装载器是 ExtClassLoader,ExtClassLoader的父装载器为null,表示为BootstrapClassLoader。 BootstrapClassLoader由JVM采用本地代码实现,因此没有对应的Java类,所以ExtClassLoader的 getParent()返回null。
  ClassLoader的职责之一是保护系统名字空间。以下为ClassLoader类部分代码:

    private ProtectionDomain preDefineClass(String name,  
                            ProtectionDomain protectionDomain)  
        {  
        if (!checkName(name))  
            throw new NoClassDefFoundError("IllegalName: " + name);  
      
        if ((name != null) && name.startsWith("java.")) {  
            throw new SecurityException("Prohibited package name: " +  
                        name.substring(0, name.lastIndexOf('.')));  
        }  
        if (protectionDomain == null) {  
            protectionDomain = getDefaultDomain();  
        }  
      
        if (name != null)  
            checkCerts(name, protectionDomain.getCodeSource());  
      
        return protectionDomain;  
        }  

 那么,当我们定义如下类Foo,虽然能够通过编译,但是会报java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang异常,因为我们试图将Foo类写入到java.lang包下。

    package java.lang;  
      
    public class Foo {  
          
        public static void main(String args[]) throws Exception {  
            Foo f = new Foo();  
            System.out.println(f.toString());  
        }  
    }  

 3. 定制ClassLoader
  Java自带的ClassLoader类的定义为:

    public abstract class ClassLoader{   
    }  

 启动类加载器是JVM通过调用ClassLoader.loadClass()方法。

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {  
    return loadClass(name, false);  
    }  
  
protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)  
    throws ClassNotFoundException  
    {  
    // First, check if the class has already been loaded  
    Class c = findLoadedClass(name);  
    if (c == null) {  
        try {  
        if (parent != null) {  
            c = parent.loadClass(name, false);  
        } else {  
            c = findBootstrapClass0(name);  
        }  
        } catch (ClassNotFoundException e) {  
            // If still not found, then invoke findClass in order  
            // to find the class.  
            c = findClass(name);  
        }  
    }  
    if (resolve) {  
        resolveClass(c);  
    }  
    return c;  
    }  
  
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {  
    throw new ClassNotFoundException(name);  
    } 

 loadClass(String name, boolean resolve)方法中的resolve如果为true,表示分析这个Class对象,包括检查Class Loader是否已经初始化等。loadClass(String name) 在加载类之后不会对该类进行初始化,直到第一次使用该类时,才会对该类进行初始化。
那么,我们在定制ClassLoader的时候,通常只需要覆写findClass(String name)方法。在findClass(String name)方法内,我们可以通过文件、网络(URL)等形式获取字节码。以下为获取字节码的方法:

public InputStream getResourceAsStream(String name);  
public URL getResource(String name);  
public InputStream getResourceAsStream(String name);  
public Enumeration<URL> getResources(String name) throws IOException;

 在取得字节码后,需要调用defineClass()方法将字节数组转换成Class对象,该方法签名如下:

    protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,  
                         ProtectionDomain protectionDomain)  
        throws ClassFormatError  

 对于相同的类,JVM最多会载入一次。如果同一个class文件被不同的ClassLoader载入(定义),那么载入后的两个类是完全不同的。

    public class Foo{  
        //  
        private static final AtomicInteger COUNTER = new AtomicInteger(0);  
      
        public Foo() {  
            System.out.println("counter: " + COUNTER.incrementAndGet());  
        }  
          
        public static void main(String args[]) throws Exception {  
            URL urls[] = new URL[]{new URL("file:/c:/")};  
            URLClassLoader ucl1 = new URLClassLoader(urls);  
            URLClassLoader ucl2 = new URLClassLoader(urls);  
            Class<?> c1 = ucl1.loadClass("Foo");  
            Class<?> c2 = ucl2.loadClass("Foo");  
            System.out.println(c1 == c2);  
            c1.newInstance();  
            c2.newInstance();  
        }  
    }  

 以上程序需要保证Foo.class文件不在classpath路径下。从而使AppClassLoader无法加载Foo.class。
输出结果:

    false  
    counter: 1  
    counter: 1  

 4. Web应用的ClassLoader
  绝大多数的EJB容器,Servlet容器等都会提供定制的ClassLoader,来实现特定的功能。但是通常情况下,所有的servlet和filter使用一个ClassLoader。每个jsp都使用一个独立的ClassLoader。

5. 隐式(implicit)和显示(explicit)的加载
  隐式加载:我们使用new关键字实例化一个类,就是隐身的加载了类。
  显示加载分为两种:
     java.lang.Class的forName()方法;
     java.lang.ClassLoader的loadClass()方法。
  Class.forName()方法有两个重载的版本:

public static Class<?> forName(String className)   
                throws ClassNotFoundException {  
        return forName0(className, true, ClassLoader.getCallerClassLoader());  
    }  
  
public static Class<?> forName(String name, boolean initialize,  
                   ClassLoader loader)  
        throws ClassNotFoundException

 可以看出,forName(String className)默认以true和ClassLoader.getCallerClassLoader()调用了三参数的重载方法。 ClassLoader.getCallerClassLoader()表示以caller class loader加载类,并会初始化类(即静态变量会被初始化,静态初始化块中的代码也会被执行)。如果以false和 ClassLoader.getCallerClassLoader()调用三参数的重载方法,表示加载后的类不会被初始化。
ClassLoader.loadClass()方法在类加载后,也同样不会初始化类。

6. 两个异常(exception)
  NoClassDefFoundError: 当java源文件已编译成.class文件,但是ClassLoader在运行期间搜寻路径load某个类时,没有找到.class文件则抛出这个异常。
  ClassNotFoundException: 试图通过一个String变量来创建一个Class类时不成功则抛出这个异常。

 

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