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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「程序新視界」，作者丑胖俠二師兄。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系程序新視界公眾號。
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前言
對于每個(gè)開發(fā)人員來說，java.lang.ClassNotFoundExcetpion這個(gè)異常幾乎都遇到過，而追求其該異常的來源的話，就免不了談一談Java的類加載器了。本文就基于啟動類加載器、擴(kuò)展類加載器、系統(tǒng)類加載器和自定義類加載器來為大家補(bǔ)充一下這方面的知識。
類加載器簡介
Java程序被編譯器編譯之后成為字節(jié)碼文件(.class文件)，當(dāng)程序需要某個(gè)類時(shí)，虛擬機(jī)便會將對應(yīng)的class文件進(jìn)行加載，創(chuàng)建出對應(yīng)的Class對象。而這個(gè)將class文件加載到虛擬機(jī)內(nèi)存的過程，便是類加載。
類加載器負(fù)責(zé)在運(yùn)行時(shí)將Java類動態(tài)加載到JVM(Java虛擬機(jī))，是JRE(Java運(yùn)行時(shí)環(huán)境)的一部分。由于類加載器的存在，JVM無需了解底層文件或文件系統(tǒng)即可運(yùn)行Java程序。
Java類不會一次全部加載到內(nèi)存中，而是在應(yīng)用程序需要時(shí)才會加載。此時(shí)，類加載器負(fù)責(zé)將類加載到內(nèi)存中。
類加載的過程
類的生命周期通常包括：加載、鏈接、初始化、使用和卸載。上圖中包含了類加載的三個(gè)階段：加載階段、鏈接階段和初始化階段。如果將這三個(gè)階段再拆分細(xì)化包括：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析和初始化。
關(guān)于這幾個(gè)階段的作用，已經(jīng)有很多文章在寫了，我們就簡單概況一下：
- 加載：通過一個(gè)類的完全限定查找類字節(jié)碼文件，轉(zhuǎn)化為方法區(qū)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建一個(gè)代表該類的Class對象。
- 驗(yàn)證：確保Class文件的字節(jié)流中包含信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)要求，不會危害虛擬機(jī)自身安全。
- 準(zhǔn)備：為類變量(即static修飾的字段變量)分配內(nèi)存并且設(shè)置該類變量的初始值。不包含被final修飾的static變量，因?yàn)樗诰幾g時(shí)已經(jīng)分配了。
- 解析：將常量池內(nèi)的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用的過程。如果符號引用指向一個(gè)未被加載的類，或者未被加載類的字段或方法，那么解析將觸發(fā)這個(gè)類的加載。
- 初始化：類加載最后階段，若該類具有超類，則對其進(jìn)行初始化，執(zhí)行靜態(tài)初始化器和靜態(tài)初始化成員變量。
在上述類加載的過程中，虛擬機(jī)內(nèi)部提供了三種類加載器：啟動(Bootstrap)類加載器、擴(kuò)展(Extension)類加載器、系統(tǒng)(System)類加載器(也稱應(yīng)用類加載器)。
下面就討論不同類型的內(nèi)置類加載器是如何工作，以及介紹如何自定義類加載器。
內(nèi)置類加載器
先從一個(gè)簡單的例子來看一下如何使用不同的加載器來加載不同的類：
- public void printClassLoaders() {
- System.out.println("Classloader of this class:"
- + PrintClassLoader.class.getClassLoader());
- System.out.println("Classloader of Logging:"
- + Logging.class.getClassLoader());
- System.out.println("Classloader of ArrayList:"
- + ArrayList.class.getClassLoader());
- }
執(zhí)行上述程序，打印如下內(nèi)容：
- Classloader of this class:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
- Classloader of Logging:sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@2f0e140b
- Classloader of ArrayList:null
上述三行輸出分別對應(yīng)三種不同的類加載器：系統(tǒng)(System)類加載器、擴(kuò)展(Extension)類加載器和啟動(Bootstrap)類加載器(顯示為null)。
系統(tǒng)程序類加載器加載包含示例方法的類，也就是將我們自己的文件加載到類路徑中。擴(kuò)展類加載器加載Logging類，也就是加載作為標(biāo)準(zhǔn)核心Java類擴(kuò)展的類。啟動類加載器加載ArrayList類，是所有其他類的父級。
對于ArrayList的類加載器，輸出為null。這是因?yàn)閱宇惣虞d器是用本機(jī)代碼實(shí)現(xiàn)而不是Java，因此它不會顯示為Java類。啟動類加載器在操作在不同的JVM中會有所不同。
上述三種類加載器，外加自定義類加載器，它們直接的關(guān)系可用下圖表示：
現(xiàn)在來具體看一下這些類加載器。
Bootstrap類加載器
Java類由java.lang.ClassLoader的實(shí)例加載。但是，類加載器本身就是類。那么，誰來加載java.lang.ClassLoader?對，就是啟動類加載器。
啟動類加載器主要負(fù)責(zé)加載JDK內(nèi)部類，通常是rt.jar和$JAVA_HOME/jre/lib目錄中的其他核心庫。此外，Bootstrap類加載器還充當(dāng)所有其他ClassLoader實(shí)例的父類。
該啟動程序類加載器是Java虛擬機(jī)的一部分，用本機(jī)代碼編寫(比如，C++)，不同的平臺的實(shí)現(xiàn)可能有所不同。
出于安全考慮，Bootstrap啟動類加載器只加載包名為java、javax、sun等開頭的類。
Extension類加載器
擴(kuò)展類加載器是啟動類加載器的子類，Java語言編寫，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實(shí)現(xiàn)，父類加載器為啟動類加載器，負(fù)責(zé)加載標(biāo)準(zhǔn)核心Java類的擴(kuò)展。
擴(kuò)展類加載器從JDK擴(kuò)展目錄(通常是$JAVA_HOME/lib/ext目錄)或java.ext.dirs系統(tǒng)屬性中指定的任何其他目錄進(jìn)行自動加載。
系統(tǒng)類加載器
系統(tǒng)類加載器負(fù)責(zé)將所有應(yīng)用程序級類加載到JVM中。它加載在類路徑環(huán)境變量，-classpath或-cp命令行選項(xiàng)中找到的文件。它是擴(kuò)展類加載器的子類。
系統(tǒng)類加載器，也稱應(yīng)用程序加載器是指 Sun公司實(shí)現(xiàn)的sun.misc.Launcher$AppClassLoader，負(fù)責(zé)加載系統(tǒng)類路徑-classpath或-D java.class.path指定路徑下的類庫，也就是我們經(jīng)常用到的classpath路徑，開發(fā)者可以直接使用系統(tǒng)類加載器，一般情況下該類加載是程序中默認(rèn)的類加載器，通過ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以獲取到該類加載器。
類加載器是如何工作的
類加載器是Java運(yùn)行時(shí)環(huán)境的一部分。當(dāng)JVM請求一個(gè)類時(shí)，類加載器將嘗試定位該類，并使用完全限定名將類定義裝入運(yùn)行時(shí)。
java.lang.ClassLoader.loadClass()方法負(fù)責(zé)將類定義加載到運(yùn)行時(shí)，它嘗試通過全限定名來加載類。如果未加載到該類，則它將請求委派給父類加載器。依次向上重復(fù)該過程。
最終，如果父類加載器找不到指定類，則子類將調(diào)用java.net.URLClassLoader.findClass()方法在文件系統(tǒng)本身中查找類。
如果最后一個(gè)子類加載器也無法加載該類，則它將拋出java.lang.NoClassDefFoundError或java.lang.ClassNotFoundException。拋出ClassNotFoundException時(shí)的輸出示例:
- java.lang.ClassNotFoundException: com.baeldung.classloader.SampleClassLoader
- at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:381)
- at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424)
- at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
- at java.lang.Class.forName0(Native Method)
- at java.lang.Class.forName(Class.java:348)
上述過程，通常我們稱作雙親委派機(jī)制。雙親委派機(jī)制要求除了頂層的啟動類加載器外，其余的類加載器都應(yīng)當(dāng)有自己的父類加載器，請注意雙親委派機(jī)制中的父子關(guān)系并非通常所說的類繼承關(guān)系，而是采用組合關(guān)系來復(fù)用父類加載器的相關(guān)代碼。
除外，類加載器還具有三個(gè)重要功能：委派模型、類的唯一性和可見性。
委派模型
類加載器遵循委派模型，在該模型中，根據(jù)請求查找類或資源，ClassLoader實(shí)例會將對類或資源的搜索委托給父類加載器。
假設(shè)我們有一個(gè)將應(yīng)用程序類加載到JVM中的請求。系統(tǒng)類加載器首先將該類的加載委托給其父擴(kuò)展類加載器，而父擴(kuò)展類加載器又將其委托給引導(dǎo)類加載器。
僅當(dāng)啟動類加載器和擴(kuò)展類加載器都未能成功加載類時(shí)，系統(tǒng)類加載器才會嘗試加載類本身。
類的唯一性
作為委托模型的結(jié)果，很容易確保類的唯一性，因?yàn)槭冀K嘗試向上委托。如果父類加載器無法找到該類，則只有當(dāng)前實(shí)例自己會嘗試進(jìn)行查找和加載。
可見性
此外，子類加載器對其父類加載器加載的類可見。例如，系統(tǒng)類加載器加載的類對擴(kuò)展和Bootstrap類加載器加載的類具有可見性，反之亦然。
比如，通過系統(tǒng)類加載器加載類A，而通過擴(kuò)展類加載器加載類B，則對系統(tǒng)類加載器加載的其他類而言，A和B類都是可見的。但對擴(kuò)展類加載器加載的其他類而言，類B是唯一可見的類。
自定義類加載器
在大多數(shù)情況下，如果文件已經(jīng)在文件系統(tǒng)中，則內(nèi)置的類加載器就足夠了。但是，在需要從本地硬盤驅(qū)動器或網(wǎng)絡(luò)中加載類的情況下，可能需要使用自定義類加載器。下面介紹自定義類加載器的使用。
自定義類加載器示例
自定義類加載器不僅對在運(yùn)行時(shí)加載類有幫助，還有一些特殊的場景：
- 幫助修改現(xiàn)有的字節(jié)碼，例如weaving agents;
- 動態(tài)創(chuàng)建適合用戶需求的類。例如在JDBC中，通過動態(tài)類加載完成不同驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)之間的切換。
- 在為具有相同名稱和程序包的類加載不同的字節(jié)碼時(shí)，實(shí)現(xiàn)類版本控制機(jī)制。這可以通過URL類加載器(通過URL加載jar)或自定義類加載器來完成。
舉一個(gè)更具體的例子，比如，瀏覽器使用自定義類加載器從網(wǎng)站加載可執(zhí)行內(nèi)容。瀏覽器可以使用單獨(dú)的類加載器從不同的網(wǎng)頁加載applet。用于運(yùn)行applet的applet查看器包含一個(gè)ClassLoader，該類加載器可訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器上的網(wǎng)站，而無需查看本地文件系統(tǒng)。
然后通過HTTP加載原始字節(jié)碼文件，并將其轉(zhuǎn)換為JVM中的類。即使這些applet具有相同的名稱，但如果由不同的類加載器加載，它們也被視為不同的組件。
現(xiàn)在，我們了解了為什么自定義類加載器是相關(guān)的，讓我們實(shí)現(xiàn)ClassLoader的子類來擴(kuò)展和總結(jié)JVM如何加載類的。
創(chuàng)建自定義類加載器
自定義類加載器通常通過繼承java.lang.ClassLoader類，重寫findClass()方法：
- public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
- @Override
- public Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
- byte[] b = loadClassFromFile(name);
- return defineClass(name, b, 0, b.length);
- }
- private byte[] loadClassFromFile(String fileName) {
- InputStream inputStream = getClass().getClassLoader().getResourceAsStream(
- fileName.replace('.', File.separatorChar) + ".class");
- byte[] buffer;
- ByteArrayOutputStream byteStream = new ByteArrayOutputStream();
- int nextValue = 0;
- try {
- while ( (nextValue = inputStream.read()) != -1 ) {
- byteStream.write(nextValue);
- }
- } catch (IOException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- buffer = byteStream.toByteArray();
- return buffer;
- }
- }
在上面的示例中，我們定義了一個(gè)自定義類加載器，該類加載器擴(kuò)展了默認(rèn)類加載器并從指定文件加載字節(jié)數(shù)組。如果沒有太復(fù)雜的需求，可以直接繼承URLClassLoader類，重寫loadClass方法，具體可參考AppClassLoader和ExtClassLoader。
了解java.lang.ClassLoader
下面來看看java.lang.ClassLoader類中的一些基本方法，以更清楚地了解其工作方式。
loadClass方法
- public Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
此方法負(fù)責(zé)加載給定名稱參數(shù)的類。name參數(shù)為類的全限定名。
Java虛擬機(jī)調(diào)用loadClass()方法來解析類引用，并將resolve設(shè)置為true。但是，不一定總是要解析一個(gè)類。如果只需要確定該類是否存在，則將resolve參數(shù)設(shè)置為false。
此方法用作類加載器的入口。我們可以嘗試從java.lang.ClassLoader的源代碼中了解loadClass()方法的內(nèi)部工作：
- protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
- throws ClassNotFoundException {
- synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
- // First, check if the class has already been loaded
- Class c = findLoadedClass(name);
- if (c == null) {
- long t0 = System.nanoTime();
- try {
- if (parent != null) {
- c = parent.loadClass(name, false);
- } else {
- 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.
- c = findClass(name);
- }
- }
- if (resolve) {
- resolveClass(c);
- }
- return c;
- }
- }
該方法的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)按以下順序搜索類：
- 調(diào)用findLoadedClass(String)方法以查看是否已加載該類。
- 在父類加載器上調(diào)用loadClass(String)方法。
- 調(diào)用findClass(String)方法以查找類。
defineClass方法
- protected final Class defineClass(
- String name, byte[] b, int off, int len) throws ClassFormatError
此方法負(fù)責(zé)將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為類的實(shí)例。如果數(shù)據(jù)不包含有效的類，則會拋出ClassFormatError。另外，由于此方法被標(biāo)記為final，因此我們無法覆蓋此方法。
findClass方法
- protected Class findClass(
- String name) throws ClassNotFoundException
此方法查找以標(biāo)準(zhǔn)名稱作為參數(shù)的類。我們需要在遵循委派模型加載類的自定義類加載器實(shí)現(xiàn)中重寫此方法。
另外，如果父類加載器找不到請求的類，則loadClass()會調(diào)用此方法。如果沒有任何類加載器的父類找到該類，則默認(rèn)實(shí)現(xiàn)會拋出ClassNotFoundException異常。
getParent方法
- public final ClassLoader getParent()
此方法返回父類加載器以進(jìn)行委派。某些實(shí)現(xiàn)使用null來表示啟動類加載器。
getResource方法
- public URL getResource(String name)
此方法嘗試查找具有給定名稱的資源。它將首先委托給資源的父類加載器，如果父級為null，則搜索虛擬機(jī)內(nèi)置的類加載器的路徑。如果失敗，則該方法將調(diào)用findResource(String)來查找資源。
指定為輸入的資源名稱可以相對于類路徑，也可以是相對于絕對路徑。
它返回用于讀取資源的URL對象;如果找不到資源或調(diào)用者沒有足夠的特權(quán)來返回資源，則返回null。
需要注意的是，Java是從類路徑中加載資源。
最后，Java中的資源加載被認(rèn)為是與位置無關(guān)的，因?yàn)橹灰O(shè)置了環(huán)境來查找資源，代碼在何處運(yùn)行都無關(guān)緊要。
上下文類加載器
通常，上下文類加載器為J2SE中引入的類加載委托方案提供了一種替代方法。JVM中的類加載器遵循分層模型，因此每個(gè)類加載器都有一個(gè)單獨(dú)的父類，而啟動類加載器除外。但是，有時(shí)當(dāng)JVM核心類需要?jiǎng)討B(tài)加載應(yīng)用程序開發(fā)人員提供的類或資源時(shí)，可能會遇到問題。
例如，在JNDI中，核心功能由rt.jar中的引導(dǎo)程序類實(shí)現(xiàn)。但是這些JNDI類可能會加載由獨(dú)立供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)的JNDI提供程序(部署在應(yīng)用程序類路徑中)。這種情況要求啟動類加載器(父類加載器)加載對應(yīng)程序加載器(子類加載器)可見的類。
線程上下文類加載器(context class loader)是從JDK 1.2開始引入的。Java.lang.Thread中的方法 getContextClassLoader()和setContextClassLoader(ClassLoader cl)用來獲取和設(shè)置線程的上下文類加載器。如果沒有通過setContextClassLoader(ClassLoader cl)方法進(jìn)行設(shè)置的話，線程將繼承其父線程的上下文類加載器。Java應(yīng)用運(yùn)行的初始線程的上下文類加載器是系統(tǒng)類加載器，在線程中運(yùn)行的代碼可以通過此類加載器來加載類和資源。
線程上下文類加載器從根本解決了一般應(yīng)用不能違背雙親委派模式的問題，使得java類加載體系顯得更靈活。上面所提到的問題正是線程上下文類加載器的拿手好菜。如果不做任何的設(shè)置，Java應(yīng)用的線程上下文類加載器默認(rèn)就是系統(tǒng)類加載器。因此，在SPI接口的代碼中使用線程上下文類加載器，就可以成功的加載到SPI實(shí)現(xiàn)的類。
小結(jié)
類加載器對于執(zhí)行Java程序是必不可少的。我們先學(xué)習(xí)了不同類型的類加載器，即Bootstrap類加載器、擴(kuò)展類加載器和系統(tǒng)類加載器。Bootstrap類加載器充當(dāng)所有類加載器的父級，負(fù)責(zé)加載JDK內(nèi)部類。擴(kuò)展類加載器和系統(tǒng)類加載器分別從Java擴(kuò)展目錄和類路徑加載類。然后，我們學(xué)習(xí)了類加載器的工作原理、特性，以及如何創(chuàng)建自定義類加載器。
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