深入分析ClassLoader工作机制

Posted 2020-08-22 Newpidian

ClassLoader 较为深入分析。

from <深入分析Java Web>

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加载CLASS到JVM中，审查每个类应该由谁加载，父优先的等级加载机制。

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加载机制

ClassLoader类结构分析

ClassLoader抽象类，有很多子类，一般在实现自己的ClassLoader时候，一般都会继承URLClassLoader这个子类，因为这个类已经实现了大部分的工作，就像Servlet通过会直接HttpServlet一样。

打开源码：

几个重要的方法

• protected final Class

等级加载机制

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一层一层判断是否应该由本层ClassLoader加载，并通过在哪一层加载确定类的加载级别。

Bootstrap ClassLoader :主要加载JVM自身工作需要的类，这个ClassLoader完全由JVM自己控制的。不准守普通的加载规则，没有父类和子类。

sun.misc.Launcher java程序的入口就是sun.misc.Launcher,jdk的扩展类加载器ExtClassLoader和系统类加载器AppClassLoader都是Launcher的内部类。Launcher初始化extension classloader，system classloader，并将system classloader设置成为context classloader，但是仅仅返回system classloader给JVM。下列代码是Launcher构建的过程。

public Launcher() {

        Launcher.ExtClassLoader var1;

        ...

            var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();

        ...

            this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);

....

}

类图:

　　可以看到APPClassLoader和ExtClassLoader都继承自URLClassLoader,在构建Launcher过程中，先创建ExtClassLoader，然后根据ExtClassLoader作为父加载器创建APPClassLoader。然后使用Launcher的getLauncher方法得到的就是APPClassLoader。如果在Java应用中没有其他的ClassLoader，则除了”java.ext.dirs”目录下的类由ExtClassLoader加载的外，其他的都是由APPClassLoader。看一下源码。

ExtClassLoader：

    public static Launcher.ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException {

            final File[] var0 = getExtDirs();//这里



            try {

                return (Launcher.ExtClassLoader)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedExceptionAction() {

                    public Launcher.ExtClassLoader run() throws IOException {

                        int var1 = var0.length;



                        for(int var2 = 0; var2 < var1; ++var2) {

                            MetaIndex.registerDirectory(var0[var2]);

                        }



                        return new Launcher.ExtClassLoader(var0);///这里

                    }

                });

            } catch (PrivilegedActionException var2) {

                throw (IOException)var2.getException();

            }

        }



     private static File[] getExtDirs() {

                String var0 = System.getProperty("java.ext.dirs");

    ...

    }

APPClassLoader：使用ExtClassLoader作为父类加载器

 static class AppClassLoader extends URLClassLoader {

        public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader var0) throws IOException {

            final String var1 = System.getProperty("java.class.path");//这里

            final File[] var2 = var1 == null?new File[0]:Launcher.getClassPath(var1);

            return (ClassLoader)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() {

                public Launcher.AppClassLoader run() {

                    URL[] var1x = var1 == null?new URL[0]:Launcher.pathToURLs(var2);

                    return new Launcher.AppClassLoader(var1x, var0);//这里

                }

            });

        }

这是URLClassLoader的：

 public URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent,....){}

加载Class文件到内存中的2种方式

一种是隐式加载，一种是显式加载。

1. 隐式加载： 就是不需要在代码中调用ClassLoader来加载的类，而是通过JVM来自动加载这些需要的类到内存中的方式，比如在我们继承或引用某些类的时候，JVM分析当前类引用的类不在内存中，那么就会自动加载类到内存中。

2. 显示加载：就是在代码中调用ClassLoader来加载一个类，比如this.getClass().getClassLoader().loadClass()或者Class.forName() 或者自定义的ClassLoader的loadClass方法。

混合的方式，就是在自定义ClassLoader时候引用其他类，就算是隐式加载。

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加载class的过程

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加载过程，简单地看了一下代码。大概是：

—>findClass(final String name)

—> defineClass(String name, Resource res)

—>Class

加载字节码到内存中

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在抽象类ClassLoader中，很多实现都交给子类实现，如如何找到，如何加载到内存中。就是findClass()方法。最常用的URLClassLoader的findClass源码如下；

 protected Class<?> findClass(final String name)

             throws ClassNotFoundException

        {

            try {

                return AccessController.doPrivileged(

                    new PrivilegedExceptionAction<Class>() {

                        public Class run() throws ClassNotFoundException {

                            String path = name.replace('.', '/').concat(".class");

                            Resource res = ucp.getResource(path, false);

                            if (res != null) {

                                try {

                                    return defineClass(name, res);

                                } catch (IOException e) {

                                    throw new ClassNotFoundException(name, e);

                                }

                            } else {

                                throw new ClassNotFoundException(name);

                            }

                        }

                    }, acc);

            } catch (java.security.PrivilegedActionException pae) {

                throw (ClassNotFoundException) pae.getException();

            }

        }

简要说明一下：首先将Path，类名的包定义，由’.’换为路径的’/’。并将.class加上。然后ucp(URLClassPath类型)定义哪里找到这个class文件，读取它的字节流。然后通过defineClass来实例类class对象。根据URL传过来的是Jar包还是实际Class文件，就能创建不同的Loader了，这样就实现加载Class文件到内存中。下图还可以看出Loader是URLClassPath的内部类。

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常见加载类错误分析

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ClassNotFoundException

这个非常常见的错误，一般问题是找不到.class文件，就是classpath路径和你想要的class文件路径不在一个地方。如果不知道classpath路径是什么，可以通过下列代码方式找到。

    this.getClass().getClassLoader().getResource("").toString();

通常加载一个不知道的类时就会发生这样的错误。

 public class notFound{

        public static void main(String []args){

            try {

                Class.forName("NotFoundClass");

            }catch(ClassNotFoundException e){ 

                e.printStackTrace();

            }

        }

    }

显示加载的几种方式：

• Class.forName();

• ClassLoader的loadClass（）;

• ClassLoader的findSystemClass（）;

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UnsatisfiedLinkError

这个问题不常见，出现的场景就是调用某些本地lib中的native方法时，没有找到这样的lib。报出的错误。

/**

     * 文件描述：

     * 作者： bamboo

     * 时间： 2016/12/9

     */

    public class NoLibException {

        public native void nativeMethod();

        static {

            System.loadLibrary("NoLib");

        }



        public static void main(String[] args) {

            new NoLibException().nativeMethod();

        }

    }

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    java.lang.UnsatisfiedLinkError: no NoLib in java.library.path

    at java.lang.ClassLoader.loadLibrary(ClassLoader.java:1886)

    at java.lang.Runtime.loadLibrary0(Runtime.java:849)

    at java.lang.System.loadLibrary(System.java:1088)

    at CCF.NoLibException.<clinit>(NoLibException.java:11)

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ClassCastException

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强制转换异常，比如说想把String强制转换为Integer

代码

import java.util.HashMap;

    import java.util.Map;



    /**

     * 文件描述：

     * 作者： bamboo

     * 时间： 2016/12/9

     */

    public class CastException {

        public static Map m = new HashMap() {

            {

                put("a", "2");

            }

        };



        public static void main(String[] args) {

            Integer integer= (Integer) m.get("a");

            System.out.println(integer);

        }

    }

结果：

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: java.lang.String cannot be cast to java.lang.Integer

        at CCF.CastException.main(CastException.java:19)

        at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)

        at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:57)

        at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)

        at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:606)

        at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:144)

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实现自己的ClassLoader

之前写的博客。

http://blog.csdn.net/newpidian/article/details/52831121 主要实现以下3个功能

• 获取类加载器

• 根据类名称加载类

• 获取指定包下的所有类

加载自定义格式的Class文件

实现一个从远端服务器，经过加密的class文件的网络传输，在本地解密，并通过defineClass方法创建这个类的实例的方法。

代码如下：

import java.io.ByteArrayOutputStream;

    import java.io.File;

    import java.io.InputStream;

    import java.net.URL;



    /**

     * 文件描述：

     * 作者： bamboo

     * 时间： 2016/12/9

     */

    public class NetClassLoader extends ClassLoader {

        private String classPath;

        private String packageName;



        public NetClassLoader(ClassLoader parent, String classPath, String packageName) {

            super(parent);

            this.classPath = classPath;

            this.packageName = packageName;

        }



        public NetClassLoader(String classPath, String packageName) {

            this.classPath = classPath;

            this.packageName = packageName;

        }





        @Override

        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

            Class<?> aClass = findLoadedClass(name);

            if (aClass != null) {

                return aClass;

            }

            if (packageName.startsWith(name)) {

                byte[] classData = getData(name);

                if (classData == null) {

                    throw new ClassNotFoundException();

                } else {

                    defineClass(name, classData, 0, classData.length);

                }

            }

            return super.loadClass(name);

        }



        private byte[] getData(String className) {

            String path = classPath + File.separator + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";

            try {

                URL url = new URL(path);

                InputStream is = url.openStream();

                ByteArrayOutputStream stream = new ByteArrayOutputStream();

                byte[] buffer = new byte[2048];

                int num = 0;

                while ((num = is.read(buffer)) != -1) {

                    stream.write(buffer, 0, num);

                }

                return stream.toByteArray();

            } catch (Exception e) {

                e.printStackTrace();

            }

            return null;

        }



        private byte[] deCode(byte[] src) {

            byte[] decode = null;

            ///字节编码处理

            return decode;

        }

    }

实现类的热部署

在JVM加载类之前会先判定要请求的类是否已经被加载过来，就是通过findLoadedClass()来返回类实例，如果已经加载了，则loadClass()会冲突，如何判断是不是同一个类有2个条件。

• 类名是否完全一样，包括包名。

• 看这个类的ClassLoader是否完全一样。这里指的是是不是同一个ClassLoader实例。即使是同一个ClassLoader类的不同实例，加载的类也不一样。

所以实现热部署，可以创建不同的ClassLoader的实例对象，然后通过这个不同的实例对象来加载同名类。

import java.io.ByteArrayOutputStream;

import java.io.File;

import java.io.FileInputStream;

import java.io.InputStream;



/**

 * 文件描述：

 * 作者： bamboo

 * 时间： 2016/12/9

 */

public class ClassReloader extends ClassLoader {

    private String classPath;



    public ClassReloader(ClassLoader parent, String classPath) {

        super(parent);

        this.classPath = classPath;

    }



    public ClassReloader(String classPath) {

        this.classPath = classPath;

    }



    @Override

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {



        byte[] classData = getData(name);

        if (classData == null) {

            throw new ClassNotFoundException();

        } else {

            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);

        }

    }





    private byte[] getData(String className) {

        String path = classPath +  className+".class";

        try {

            InputStream is = new FileInputStream(path);

            ByteArrayOutputStream stream = new ByteArrayOutputStream();

            byte[] buffer = new byte[2048];

            int num = 0;

            while ((num = is.read(buffer)) != -1) {

                stream.write(buffer, 0, num);

            }

            return stream.toByteArray();

        } catch (Exception e) {

            e.printStackTrace();

        }

        return null;

    }



    public static void main(String[] args) {

        try {

            String path = "C:\\\\Users\\\\bamboo\\\\Desktop\\\\单源\\\\Leetcode\\\\out\\\\";

            ClassReloader reloader = new ClassReloader(path);

            Class r = reloader.findClass("AllOne");

            System.out.println((r.newInstance()));

            ClassReloader reloader1 = new ClassReloader(path);

            Class r1 = reloader1.findClass("AllOne");

            System.out.println((r1.newInstance()));

        } catch (Exception e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

}

输出

AllOne@26a30589

AllOne@ec5aba9

如果将 Class r1 = reloader1.findClass("AllOne");改为

                Class r1 = reloader.findClass("AllOne");

则会抛出duplicate class definition，类的重复定义。

    AllOne@642423ad

    Exception in thread "main" java.lang.LinkageError: loader (instance of  ParallelBasic/ClassReloader): attempted  duplicate class definition for name: "AllOne"

        at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)

        at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:800)

        at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:643)

        at ParallelBasic.ClassReloader.findClass(ClassReloader.java:32)

        at ParallelBasic.ClassReloader.main(ClassReloader.java:61)

        at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)

        at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:57)

        at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)

        at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:606)

        at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:144)

一个问题：如果使用不同的ClassLoader实例加载同一个类会怎么样，会不会导致JVM的PermGen（永久代）n区无限增大？？答案是否定的，why，因为ClassLoader对象也是对象，在没有被持有引用的时候，也会被JVM回收。值得注意的是，被ClassLoader加载的类的字节码会一直保存在JVM的PermGen中，这个数据一般是在Full GC的时候才会被回收，所以，如果应用大量使用动态类加载。Full GC又不是太频繁，也要注意PermGen的大小，防止内存溢出。

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