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    霍丙南:Java类加载机制

    作者:霍丙南 时间:2021-02-11 00:30

    java类加载机制

    类是java编程语言的基本单元。java的源代码经过编译后生成java的字节码文件(class文件),字节码文件是以二进制的形式存储。在运行时,这些类的字节码文件会加载进入JVM的内存的元空间中,并且以Class<T>的形式对类进行描述。本文将详细讲解java的类加载机制。

    类加载流程

    • 加载:通过classloader将字节码文件以二进制字节流的形式读入到内存中,将字节流转换为方法区运行时的数据结构,在内存中生成一个Class<T>对象对类进行描述。

    • 链接:验证阶段检查字节码文件是否符合JVM规范,准备阶段为类中的静态字段分配内存并赋予初始值,解析阶段将虚拟机中常量池中的符号引用转化为直接引用。符号引用存在于编译生成的字节码中,用来描述当前类对其他类的引用。直接引用是可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。解析阶段也可以在运行过程中发生,这个跟动态语言调用相关。

    • 初始化:初始化是类加载的最后一步,前面的类加载的过程中,除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与外,其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段,才真正开始执行类中定义的java程序代码。它主要是负责:初始化阶段是执行类构造器(静态代码块)< clinit >()方法的过程, < clinit >()是编译器自动收集类中所有的类变量的赋值动作、静态代码块产生的。

    ClassLoader

    ClassLoader顾名思义是类的加载器,类的加载要通过ClassLoader进行,ClassLoader的职责是将字节码文件从磁盘或者网络中加载进JVM内存。同时你也可以在java代码中操作ClassLoader定义一些自定义的行为。ClassLoader是一个抽象基类,你可以继承它重写自己自定义的加载流程。一般我们的java类会通过几个常见的类加载器加载,它们分为BootstrapClassLoaderExtensionClassLoaderApplicaitonClassLoader

    BootstrapClassLoader主要加载的是JVM自身需要的类,这个类加载使用C++语言实现的,是虚拟机自身的一部分,它负责将 <JAVA_HOME>/lib路径下的核心类库或-Xbootclasspath参数指定的路径下的jar包加载到内存中,注意必由于虚拟机是按照文件名识别加载jar包的,如rt.jar,如果文件名不被虚拟机识别,即使把jar包丢到lib目录下也是没有作用的(出于安全考虑,Bootstrap启动类加载器只加载包名为javajavaxsun等开头的类)。

    ExtensionClassLoader是指Sun公司(已被Oracle收购)实sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类,由Java语言实现的,是Launcher的静态内部类,它负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录下或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位路径中的类库,开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

    ApplicationClassLoader也称应用程序加载器是指 Sun公司实现的sun.misc.Launcher$AppClassLoader。它负责加载系统类路径java -classpath-D java.class.path 指定路径下的类库,也就是我们经常用到的classpath路径,开发者可以直接使用系统类加载器,一般情况下该类加载是程序中默认的类加载器,通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器。

    双亲委派机制

    双亲委派机制是指,当一个ClassLoader尝试加载一个类时,它并不会自己加载,而是将加载任务向上委托给父加载器加载。每个ClassLoader中都有一个parent属性,用来保存父加载器的引用。注意:父加载器并不是父类加载器,它们之间没有类之间的继承关系。双亲委派机制的加载流程为:在类加载器缓存中查询,此类是否已经加载,若已加载,则直接由此加载器加载,若没有则向上委托给父加载器加载。若最上层父加载器也未加载,则向下委托给子加载器加载。

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
            throws ClassNotFoundException
    {
      synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 首先检查类是否已经加载过
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
          // 没有加载过,则委托父加载器加载
          long t0 = System.nanoTime();
          try {
            if (parent != null) {
              // 若有父加载器,则委托父加载加载
              c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
              // 若没有父加载器(最上层父加载器也未加载此类),则委托BootStrap加载器加载
              c = findBootstrapClassOrNull(name);
            }
          } catch (ClassNotFoundException e) {
            // ClassNotFoundException thrown if class not found
            // from the non-null parent class loader
          }
    
          if (c == null) {
            // If still not found, then invoke findClass in order
            // to find the class.
            // 这种情况代表Bootstrap加载器也未加载此类,则委托给本加载器加载。
            long t1 = System.nanoTime();
            c = findClass(name);
            // this is the defining class loader; record the stats
            PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
            PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
            PerfCounter.getFindClasses().increment();
          }
        }
        if (resolve) {
          resolveClass(c);
        }
        return c;
      }
    

    测试双亲委派机制

    • 新建一个测试用的类

      package misc;
      
      public class Model
      {
          static
          {
              System.out.println("类被加载了");
          }
      
          public static void sayHello()
          {
              System.out.println("hello");
          }
      }
      
    • 自己定义一个类加载器

      public class MyClassLoader extends ClassLoader
      {
          private final String classPath;
      
          public MyClassLoader(String classPath)
          {
              this.classPath = classPath;
          }
      
          @Override
          protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException
          {
            	// 如果使用MyClassLoader加载,那么这句话将会输出至控制台
              System.out.println("使用MyClassLoader加载");
              var classFilePath = classPath + "/" + name.replace(".","/").concat(".class");
              var bao = new ByteArrayOutputStream();
              var readByte = 1;
              try
              {
                  var fis = new FileInputStream(classFilePath);
                  while ((readByte = fis.read()) != -1)
                  {
                      bao.write(readByte);
                  }
                  var bytesArray = bao.toByteArray();
                  return defineClass(name, bytesArray, 0, bytesArray.length);
              } catch (IOException ex)
              {
                  ex.printStackTrace();
                  throw new ClassNotFoundException(ex.getMessage());
              }
          }
      }
      
    • 测试代码

      public static void loadClassViaMyClassLoader() throws Exception
      {
          var classLoader = new MyClassLoader("/Users/huobingnan/code/java/misc/out/production/misc");
          var modelClass = classLoader.loadClass("misc.Model");
        	System.out.println("Model的类加载器是:" + modelClass.getClassLoader());
          var sayHelloMethod = modelClass.getDeclaredMethod("sayHello");
          sayHelloMethod.invoke(null);
      }
      
    • 测试输出

      Model的类加载器是:jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@7c53a9eb
      类被加载了
      hello
      

      通过输出可以发现,Model类的加载并未使用我们自定义的MyClassLoader,而是使用了JDK中的应用程序类加载器,这就是双亲委派机制的体现,你也可以对上述代码进行DEBUG运行,从中便可得知类加载的途径是

      MyClassLoader -> AppClassLoader -> PlatformClassLoader -> BootstrapClassLoader -> PlatformClassLoader -> AppClassLoader 。注意:不同的JDK可能加载器的名称会有所不同,笔者这里使用的是zulu-jdk-arm64。

    打破双亲委派机制

    通过上文的测试用例可以得知,尽管我们自定义了ClassLoader,但是由于双亲委派机制的存在,字节码文件没有使用我们自定义的ClassLoader加载。那么如何强制字节码文件使特定ClassLoader加载呢?我们可以通过重写CLassLoader.loadClass(String name, boolean resovle)方法进行。例如下面的代码:

    public class MyClassLoader extends ClassLoader
    {
        private final String classPath;
    
        public MyClassLoader(String classPath)
        {
            this.classPath = classPath;
        }
    
        @Override
        protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
        {
            if (name.startsWith("misc"))
            {
              	// 如果包名以misc开头,我们使用MyClassLoader加载
                return findClass(name); 
            }
            return super.loadClass(name, resolve);
        }
    
        @Override
        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException
        {
            System.out.println("使用MyClassLoader加载");
            var classFilePath = classPath + "/" + name.replace(".", "/").concat(".class");
            var bao = new ByteArrayOutputStream();
            var readByte = 1;
            try
            {
                var fis = new FileInputStream(classFilePath);
                while ((readByte = fis.read()) != -1)
                {
                    bao.write(readByte);
                }
                var bytesArray = bao.toByteArray();
                return defineClass(name, bytesArray, 0, bytesArray.length);
            } catch (IOException ex)
            {
                ex.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException(ex.getMessage());
            }
        }
    }
    

    更改之后,再次使用上文中的测试代码进行测试:

    使用MyClassLoader加载
    Model的类加载器是:misc.MyClassLoader@d041cf
    类被加载了
    hello
    

    这里可以看到,通过重写loadClass方法,我们可以自定义类加载行为,打破双亲委派机制。

    打破双亲委派机制带来的问题

    虽然我们自定义了类加载,并且打破了双亲委派机制,使得我们可以自定义类加载器加载类的行为。但是打破双亲委派机制后会带一个问题:

     public static void testClassLoaderCastBehavior() throws Exception
     {
       var classLoader = new MyClassLoader("/Users/huobingnan/code/java/misc/lib");
       var modelClass = classLoader.loadClass("misc.Model");
       var object = modelClass.getConstructor().newInstance();
       var model = (Model)object;
     }
    
    使用MyClassLoader加载
    类被加载了
    Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: class misc.Model cannot be cast to class misc.Model (misc.Model is in unnamed module of loader misc.MyClassLoader @d041cf; misc.Model is in unnamed module of loader 'app')
    	at misc.ClassLoaderTest.testClassLoaderCastBehavior(ClassLoaderTest.java:19)
    	at misc.ClassLoaderTest.main(ClassLoaderTest.java:85)
    

    使用自定义类加载器,在文件系统中加载了一个类,这个类与我们项目类路径中的Model类定义完全一致,但是他们之间并不能进行强制类型转换。这也就是说,虽然我们可以加载这个类,但是在使用的时候只能通过反射的方式进行。我们知道通过反射对一个类进行操作会带来隐患,而且对于用户来说,这样的调用操作并不直观。

    同时,这种行为也限制了我们在项目中保留接口定义的情况下,无法通过类加载器的加载实现类并强制转换使用。

    如果想要通过接口的形式进行上述操作需要借助java的SPI机制。

    参考文献

    1. 张善香. 解析Java虚拟机开发:权衡优化,高效和安全的最优方案[M]. 北京: 清华大学出版社: 2013.
    2. java类加载机制(全套)https://juejin.cn/post/6844903564804882445
    3. Java SPI机制 https://zhuanlan.zhihu.com/p/28909673
    bk
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