一、什么是ClassLoader
顾名思义,它是用来加载 Class 的。它负责将 Class 的字节码形式转换成内存形式的 Class 对象。字节码可以来自于磁盘文件 *.class,也可以是 jar 包里的 *.class,也可以来自远程服务器提供的字节流,字节码的本质就是一个字节数组 []byte,它有特定的复杂的内部格式。
二、认识.class文件
Java是解释性语言,编写的代码都是.java文件,需要经过compile(编译)成.class文件才能运行。拿入门Hello World来讲:
HelloWorld.java
public class HelloWorld{ public static void main(String[] args){ System.out.println("Hello world!"); } }
不能直接运行,需要执行javac HelloWorld.java生成.class文件;
HelloWorld.class
cafe babe 0000 0034 001d 0a00 0600 0f09 0010 0011 0800 120a 0013 0014 0700 1507 0016 0100 063c 696e 6974 3e01 0003 2829 ... ...
.class文件是字节码文件,加载到JVM中可以直接运行。换句话说,其他语言例如C编写的程序正确转换为.class文件后,JVM也是能识别运行的。
相信这里有很多学习java的朋友,小编整理了一份java方面的学习资料, 有想要学习java的可以加一下我的学习群的哟,60833,4068,欢迎爱学习java的你们!
三、初探ClassLoader
测试程序:
public class ClassLoaderDemo { public static void main(String[] args) { System.out.println(ClassLoaderDemo.class.getClassLoader()); System.out.println(String.class.getClassLoader()); } }
输出:
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 null
说明这个类是经过AppClassLoader加载到JVM中的,顺便观察下继承图:
疑问:但是为什么String的类加载器是null??
四、Java提供的ClassLoader
- Bootstrap ClassLoader:最顶层的加载类,主要加载核心类库,%JRE_HOME%\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar和class等;
- Extention ClassLoader:扩展的类加载器,加载目录%JRE_HOME%\lib\ext目录下的jar包和class文件;
- Appclass Loader:也称为SystemAppClass,加载当前应用的classpath的所有类;
需要查看上述之间的联系,可以查看JVM的入口sun.misc.Launcher,源码太长,精简后:
public class Launcher { private static String bootClassPath = System.getProperty("sun.boot.class.path"); private static Launcher launcher = new Launcher(); public Launcher() { Launcher.ExtClassLoader var1= Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader(); this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1); Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader); } }
Launcher的构造方法中初始化了ExtClassLoader和AppClassLoader,但是不见BootstrapClassLoader,只有一个系统环境变量,查看sun.boot.class.path;
sun.boot.class.path:
D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\resources.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\rt.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\sunrsasign.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\jsse.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\jce.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\charsets.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\jfr.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\classes
顺着这个配置文件,分别查看ExtClassLoader和AppClassLoader的源码,可以发现都有加载路径的配置,java.ext.dirs和java.class.path;
java.ext.dirs:
D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\ext; C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
java.class.path:
D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\charsets.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\deploy.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\ext\cldrdata.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\ext\dnsns.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\ext\jaccess.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\ext\jfxrt.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\ext\localedata.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\ext\nashorn.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\ext\sunec.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\ext\sunmscapi.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\ext\zipfs.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\javaws.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\jce.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\jfr.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\jfxswt.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\jsse.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\management-agent.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\plugin.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\resources.jar; D:\developer\Java\jdk1.8\jre\lib\rt.jar; D:\idea_work\ClassLoaderDemo\out\production\ClassLoaderDemo; D:\developer\IntelliJ IDEA 2017.3\lib\idea_rt.jar
AppClassLoader的父加载器是ExtClassLoader,而ExtClassLoader的父加载器是BootstrapClassLoader。
注:父加载器不是父类,不能通过getParent()判定。
疑点:AppClassLoader getParent()是ExtClassLoader?
getParent()位于ClassLoader类下,直接返回私有变量parent,那么这个parent只有在ClassLoader的构造方法中初始化。回到Launcher源码this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);,再去查看getAppClassLoader便一目了然了。
那么ExtClassLoader为什么没有传入BootstrapClassLoader作为parent参数呢?Bootstrap ClassLoader是C/C++编写的,它本身是虚拟机的一部分,所以它并不是一个JAVA类,也就是无法在java代码中获取它的引用,这便解释上面String的加载器为什么是null。
五、双亲委托
JVM加载一个class时先查看是否已经加载过,没有则通过父加载器,然后递归下去,直到BootstrapClassLoader,如果BootstrapClassloader找到了,直接返回,如果没有找到,则一级一级返回(查看规定加载路径),最后到达自身去查找这些对象。这种机制就叫做双亲委托。
好处是:
- 避免重复加载
- A和B都需要加载X,各自加载就会导致X加载了两次,JVM中出现两份X的字节码;
- 防止恶意加载
- 编写恶意类java.lang.Object,自定义加载替换系统原生类;
按需查看ClassLoader下的loadClass方法(精简);
Class<?> c = findLoadedClass(name); if (c == null) { if (parent != null) { c = parent.loadClass(name, false); } else { c = findBootstrapClassOrNull(name); } }
也很好的印证了上面双亲委托模型,首先从缓存找,然后根据parent是否为null(BootstrapClassLoader)向上委托加载。
双亲委托只是JVM的规范,是可以通过在自定义ClassLoader时重写loadClass方法打破的。
六、自定义ClassLoader
首先想到的是继承ClassLoader重写loadClass(),那么可以这样写;
import java.io.*; public class CustomClassLoader extends ClassLoader { private static final String DRIVER = "D:\\idea_work\\ClassLoaderDemo\\classes"; private static final String FILE_TYEP = ".class"; @Override public Class<?> loadClass(String name) { byte[] data = loadClassData(name); return defineClass(name, data, 0, data.length); } private byte[] loadClassData(String name) { FileInputStream fis; byte[] data = null; try { File file = new File(DRIVER, name + FILE_TYEP); fis = new FileInputStream(file); ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); int ch; while ((ch = fis.read()) != -1) { baos.write(ch); } data = baos.toByteArray(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } return data; } }
- 指定自定义加载class文件的路径;
- 根据class名称解析获取对应的字节流数组;
- 重写loadClass()采用defineClass返回需要的Class类;
编写测试Main程序;
public class ClassLoaderDemo { public static void main(String[] args) { CustomClassLoader loader = new CustomClassLoader(); try { Class c1 = loader.loadClass("Cat"); Object object = c1.newInstance(); System.out.println(object); } catch (IllegalAccessException | InstantiationException e) { e.printStackTrace(); } } }
然后我们将编译后的Cat.class文件放在上述指定的目录下,执行会发现报错;
java.io.FileNotFoundException: D:\idea_work\ClassLoaderDemo\classes\java.lang.Object.class (系统找不到指定的文件。) at java.io.FileInputStream.open0(Native Method) at java.io.FileInputStream.open(FileInputStream.java:195) at java.io.FileInputStream.<init>(FileInputStream.java:138) at CustomClassLoader.loadClassData(CustomClassLoader.java:28) at CustomClassLoader.loadClass(CustomClassLoader.java:11) at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method) at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763) at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:642) at CustomClassLoader.loadClass(CustomClassLoader.java:12) at ClassLoaderDemo.main(ClassLoaderDemo.java:6) Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException at CustomClassLoader.loadClass(CustomClassLoader.java:12) at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method) at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763) at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:642) at CustomClassLoader.loadClass(CustomClassLoader.java:12) at ClassLoaderDemo.main(ClassLoaderDemo.java:6)
可以发现,通过某类加载器加载的类,所拥有的成员变量同样是该类加载器加载。
有两种解决方案:
- 在loadClass()方法中增加判断,当加载class文件不存在即调用super.loadClass(name);
- 重写findClass()方法,实现过程不变,前提是自定义加载class文件的路径不在三大加载器加载路径中(推荐);
可以看到ClassLoader源码中有这个方法;
/** * Finds the class with the specified <a href="#name">binary name</a>. * This method should be overridden by class loader implementations that * follow the delegation model for loading classes, and will be invoked by * the {@link #loadClass <tt>loadClass</tt>} method after checking the * parent class loader for the requested class. The default implementation * throws a <tt>ClassNotFoundException</tt>. * * @param name * The <a href="#name">binary name</a> of the class * * @return The resulting <tt>Class</tt> object * * @throws ClassNotFoundException * If the class could not be found * * @since 1.2 */ protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { throw new ClassNotFoundException(name); }
默认抛出异常,自定义ClassLoader一般都需要重写该方法;
import java.io.*; public class CustomClassLoader extends ClassLoader { private static final String DRIVER = "D:\\idea_work\\ClassLoaderDemo\\classes"; private static final String FILE_TYEP = ".class"; @Override public Class findClass(String name) { byte[] data = loadClassData(name); return defineClass(name, data, 0, data.length); } private byte[] loadClassData(String name) { FileInputStream fis; byte[] data = null; try { File file = new File(DRIVER, name + FILE_TYEP); System.out.println(file.getAbsolutePath()); fis = new FileInputStream(file); ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); int ch; while ((ch = fis.read()) != -1) { baos.write(ch); } data = baos.toByteArray(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } return data; } }
再次执行Main程序正常输出。
疑问:可以编写java.lang.xxx,自定义替换加载?
编写java.lang.String类:
package java.lang; public class String { public static void main(String[] args) { System.out.println("String"); } }
运行打印错误信息:
错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为: public static void main(String[] args) 否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application
根据双亲委托模型String早已在BootstrapClassLoader中加载过原生的,所以这里会提示找不到main方法;
编写java.lang.Test类:
package java.lang; public class Test { public static void main(String[] args) { System.out.println("Test"); } }
运行打印错误信息:
Error: A JNI error has occurred, please check your installation and try again Exception in thread "main" java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:662) at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:761) at java.security.SecureClassLoader.defineClass(SecureClassLoader.java:142) at java.net.URLClassLoader.defineClass(URLClassLoader.java:467) at java.net.URLClassLoader.access$100(URLClassLoader.java:73) at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:368) at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:362) at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method) at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:361) at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424) at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:338) at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357) at sun.launcher.LauncherHelper.checkAndLoadMain(LauncherHelper.java:495)
应该是由于Java的安全机制禁止自己命名包名java.lang的,查看ClassLoader源码看到有个preDefineClass方法:
/* Determine protection domain, and check that: - not define java.* class, - signer of this class matches signers for the rest of the classes in package. */ private ProtectionDomain preDefineClass(String name, ProtectionDomain pd) { if (!checkName(name)) throw new NoClassDefFoundError("IllegalName: " + name); // Note: Checking logic in java.lang.invoke.MemberName.checkForTypeAlias // relies on the fact that spoofing is impossible if a class has a name // of the form "java.*" if ((name != null) && name.startsWith("java.")) { throw new SecurityException ("Prohibited package name: " + name.substring(0, name.lastIndexOf('.'))); } if (pd == null) { pd = defaultDomain; } if (name != null) checkCerts(name, pd.getCodeSource()); return pd; }
这个是在defineClass也就是将class文件字节流数组转换为Class对象时预处理过程,并且是private私有,不允许子类进行修改,因而编写java开头的包名加载都会受到限制。
欢迎关注胖胖程序员,可视化学习java,每天更新文章,让Java学习更加简单。