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深入讨论下Java类加载器

作者:南京    来源:南京    发布时间:2020-01-09 09:03    浏览量:113

  类加载器是 Java 语言的一个创新,也是 Java 语言流行的重要原因之一。它使得 Java 类可以被动态加载到 Java 虚拟机中并执行。类加载器从 JDK 1.0 就出现了,初是为了满足 Java Applet 的需要而开发出来的。Java Applet 需要从远程下载 Java 类文件到浏览器中并执行。现在类加载器在 Web 容器和 OSGi 中得到了广泛的使用。一般来说,Java 应用的开发人员不需要直接同类加载器进行交互。Java 虚拟机默认的行为就已经足够满足大多数情况的需求了。不过如果遇到了需要与类加载器进行交互的情况,而对类加载器的机制又不是很了解的话,就很容易花大量的时间去调试 ClassNotFoundException和 NoClassDefFoundError等异常。本文将详细介绍 Java 的类加载器,帮助读者深刻理解 Java 语言中的这个重要概念。下面首先介绍一些相关的基本概念。

  类加载器基本概念

  顾名思义,类加载器(class loader)用来加载 Java 类到 Java 虚拟机中。一般来说,Java 虚拟机使用 Java 类的方式如下: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。每个这样的实例用来表示一个 Java 类。通过此实例的 newInstance()方法就可以创建出该类的一个对象。实际的情况可能更加复杂,比如 Java 字节代码可能是通过工具动态生成的,也可能是通过网络下载的。

  基本上所有的类加载器都是 java.lang.ClassLoader类的一个实例。下面详细介绍这个 Java 类。

  java.lang.ClassLoader类介绍

  java.lang.ClassLoader

  类的基本职责就是根据一个指定的类的名称,找到或者生成其对应的字节代码,然后从这些字节代码中定义出一个 Java 类,即 java.lang.Class类的一个实例。除此之外,ClassLoader还负责加载 Java 应用所需的资源,如图像文件和配置文件等。不过本文只讨论其加载类的功能。为了完成加载类的这个职责,ClassLoader提供了一系列的方法,关于这些方法的细节会在下面进行介绍。

  getParent() 返回该类加载器的父类加载器。

  loadClass(String name) 加载名称为 name的类,返回的结果是 java.lang.Class类的实例。

  findClass(String name) 查找名称为 name的类,返回的结果是 java.lang.Class类的实例。

  findLoadedClass(String name) 查找名称为 name的已经被加载过的类,返回的结果是 java.lang.Class类的实例。

  defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) 把字节数组 b中的内容转换成 Java 类,返回的结果是 java.lang.Class类的实例。这个方法被声明为 final的。

  resolveClass(Class c) 链接指定的 Java 类。

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  对于上面给出的方法,表示类名称的 name参数的值是类的二进制名称。需要注意的是内部类的表示,如 com.example.Sample$1和 com.example.Sample$Inner等表示方式。这些方法会在下面介绍类加载器的工作机制时,做进一步的说明。

  类加载器的树状组织结构。

  Java 中的类加载器大致可以分成两类,一类是系统提供的,另外一类则是由 Java 应用开发人员编写的。系统提供的类加载器主要有下面三个:

  引导类加载器(bootstrap class loader):它用来加载 Java 的核心库,是用原生代码来实现的,并不继承自 java.lang.ClassLoader。

  扩展类加载器(extensions class loader):它用来加载 Java 的扩展库。Java 虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。该类加载器在此目录里面查找并加载 Java 类。

  系统类加载器(system class loader):它根据 Java 应用的类路径(CLASSPATH)来加载 Java 类。一般来说,Java 应用的类都是由它来完成加载的。可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它。

  除了系统提供的类加载器以外,开发人员可以通过继承 java.lang.ClassLoader

  类的方式实现自己的类加载器,以满足一些特殊的需求。

  除了引导类加载器之外,所有的类加载器都有一个父类加载器。通过 getParent()方法可以得到。对于系统提供的类加载器来说,系统类加载器的父类加载器是扩展类加载器,而扩展类加载器的父类加载器是引导类加载器;对于开发人员编写的类加载器来说,其父类加载器是加载此类加载器 Java 类的类加载器。因为类加载器 Java 类如同其它的 Java 类一样,也是要由类加载器来加载的。一般来说,开发人员编写的类加载器的父类加载器是系统类加载器。类加载器通过这种方式组织起来,形成树状结构。树的根节点就是引导类加载器。中给出了一个典型的类加载器树状组织结构示意图,其中的箭头指向的是父类加载器。

  在了解了类加载器的树状组织结构之后,下面介绍类加载器的代理模式。

  类加载器在尝试自己去查找某个类的字节代码并定义它时,会先代理给其父类加载器,由父类加载器先去尝试加载这个类,依次类推。在介绍代理模式背后的动机之前,首先需要说明一下 Java 虚拟机是如何判定两个 Java 类是相同的。Java 虚拟机不仅要看类的全名是否相同,还要看加载此类的类加载器是否一样。只有两者都相同的情况,才认为两个类是相同的。即便是同样的字节代码,被不同的类加载器加载之后所得到的类,也是不同的。(相关推荐:java这朵永生花将长存

  比如一个 java类 com.example.Sample,编译之后生成了字节代码文件 Sample.class。两个不同的类加载器 ClassLoaderA和 ClassLoaderB分别读取了这个 Sample.class文件,并定义出两个 java.lang.Class类的实例来表示这个类。这两个实例是不相同的。对于 Java 虚拟机来说,它们是不同的类。试图对这两个类的对象进行相互赋值,会抛出运行时异常 ClassCastException。


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