JVM反射ClassLoader学习资料

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1   Java技术与Java虚拟机

Java有四方面组成:

Java编程语言、Java类文件格式、Java虚拟机和Java应用程序接口(Java API)

Java语言的运行过程:

开发人员在java平台编写Java代码(.java文件),然后将之编译成字节码(.class文件)。.class文件被装入内存进入虚拟机,被解释器解释执行,或者是被即时代码发生器有选择的转换成机器码执行。Java平台由Java虚拟机和 Java应用程序接口搭建,Java语言则是进入这个平台的通道,用Java语言编写并编译的程序可以运行在这个平台上。

在Java平台的结构: JVM 处在核心的位置,它是一个虚构出来的计算机,是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机有自己完善的硬件架构,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息,使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码),就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM的下方是移植接口,移植接口由两部分组成:适配器和Java操作系统, 其中依赖于平台的部分称为适配器;JVM 通过移植接口在具体的平台和操作系统上实现;在JVM 的上方是Java的基本类库和扩展类库以及它们的API, 利用Java API编写的应用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平台上运行而无需考虑底层平台, 就是因为有Java虚拟机(JVM)实现了程序与操作系统的分离,从而实现了Java 的平台无关性。

2   Java虚拟机的体系结构

JVM可以由不同的厂商来实现。由于厂商的不同必然导致JVM在实现上的一些不同,然而JVM还是可以实现跨平台的特性,这就要归功于设计JVM时的体系结构了。

我们知道,一个JVM实例的行为不光是它自己的事,还涉及到它的子系统、存储区域、数据类型和指令这些部分,它们描述了JVM的一个抽象的内部体系结构,其目的不光规定实现JVM时它内部的体系结构,更重要的是提供了一种方式,用于严格定义实现时的外部行为。每个JVM都有两种机制,一个是装载具有合适名称的类(类或是接口),叫做类装载子系统;另外的一个负责执行包含在已装载的类或接口中的指令,叫做运行引擎。每个JVM又包括方法区、堆、Java栈、程序计数器和本地方法栈这五个部分,这几个部分和类装载机制与运行引擎机制一起组成的体系结构图为:

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JVM体系结构

图3JVM的体系结构

JVM的每个实例都有一个它自己的方法域和一个堆,运行于JVM内的所有的线程都共享这些区域;当虚拟机装载类文件的时候,它解析其中的二进制数据所包含的类信息,并把它们放到方法域中;当程序运行的时候,JVM把程序初始化的所有对象置于堆上;而每个线程创建的时候,都会拥有自己的程序计数器和Java栈,其中程序计数器中的值指向下一条即将被执行的指令,线程的Java栈则存储为该线程调用Java方法的状态;本地方法调用的状态被存储在本地方法栈,该方法栈依赖于具体的实现。

执行引擎处于JVM的核心位置,在Java虚拟机规范中,它的行为是由指令集所决定的。尽管对于每条指令,规范很详细地说明了当JVM执行字节码遇 到指令时,它的实现应该做什么,但对于怎么做却言之甚少。Java虚拟机支持大约248个字节码。每个字节码执行一种基本的CPU运算,例如,把一个整数 加到寄存器,子程序转移等。Java指令集相当于Java程序的汇编语言。

虚拟机的内层循环的执行过程如下:

do{

取一个操作符字节;

根据操作符的值执行一个动作;

}while(程序未结束)

由于指令系统的简单性,使得虚拟机执行的过程十分简单,从而有利于提高执行的效率。指令中操作数的数量和大小是由操作符决定的。如果操作数比一个字节大,那么它存储的顺序是高位字节优先。例如,一个16位的参数存放时占用两个字节,其值为:

第一个字节*256+第二个字节字节码。

指令流一般只是字节对齐的。指令tableswitch和lookup是例外,在这两条指令内部要求强制的4字节边界对齐。

对于本地方法接口,实现JVM并不要求一定要有它的支持,甚至可以完全没有。Sun公司实现Java本地接口(JNI)是出于可移植性的考虑,当然 我们也可以设计出其它的本地接口来代替Sun公司的JNI。但是这些设计与实现是比较复杂的事情,需要确保垃圾回收器不会将那些正在被本地方法调用的对象 释放掉。

Java的堆是一个运行时数据区,类的实例(对象)从中分配空间,它的管理是由垃圾回收来负责的:不给程序员显式释放对象的能力。Java不规定具体使用的垃圾回收算法,可以根据系统的需求使用各种各样的算法。

Java方法区与传统语言中的编译后代码或是Unix进程中的正文段类似。它保存方法代码(编译后的java代码)和符号表。在当前的Java实现 中,方法代码不包括在垃圾回收堆中,但计划在将来的版本中实现。每个类文件包含了一个Java类或一个Java界面的编译后的代码。可以说类文件是 Java语言的执行代码文件。为了保证类文件的平台无关性,Java虚拟机规范中对类文件的格式也作了详细的说明。其具体细节请参考Sun公司的Java 虚拟机规范。

Java虚拟机的寄存器用于保存机器的运行状态,与微处理器中的某些专用寄存器类似。Java虚拟机的寄存器有四种:

1. pc: Java程序计数器;

2. optop: 指向操作数栈顶端的指针;

3. frame: 指向当前执行方法的执行环境的指针;。

4. vars: 指向当前执行方法的局部变量区第一个变量的指针。

在上述体系结构图中,我们所说的是第一种,即程序计数器,每个线程一旦被创建就拥有了自己的程序计数器。当线程执行Java方法的时候,它包含该线程正在被执行的指令的地址。但是若线程执行的是一个本地的方法,那么程序计数器的值就不会被定义。

Java虚拟机的栈有三个区域:局部变量区、运行环境区、操作数区

局部变量区

每个Java方法使用一个固定大小的局部变量集。它们按照与vars寄存器的字偏移量来寻址。局部变量都是32位的。长整数和双精度浮点数占据了两 个局部变量的空间,却按照第一个局部变量的索引来寻址。(例如,一个具有索引n的局部变量,如果是一个双精度浮点数,那么它实际占据了索引n和n+1所代 表的存储空间)虚拟机规范并不要求在局部变量中的64位的值是64位对齐的。虚拟机提供了把局部变量中的值装载到操作数栈的指令,也提供了把操作数栈中的 值写入局部变量的指令。

运行环境区

在运行环境中包含的信息用于动态链接,正常的方法返回以及异常捕捉。

动态链接

运行环境包括对指向当前类和当前方法的解释器符号表的指针,用于支持方法代码的动态链接。方法的class文件代码在引用要调用的方法和要访问的变 量时使用符号。动态链接把符号形式的方法调用翻译成实际方法调用,装载必要的类以解释还没有定义的符号,并把变量访问翻译成与这些变量运行时的存储结构相 应的偏移地址。动态链接方法和变量使得方法中使用的其它类的变化不会影响到本程序的代码。

正常的方法返回

如果当前方法正常地结束了,在执行了一条具有正确类型的返回指令时,调用的方法会得到一个返回值。执行环境在正常返回的情况下用于恢复调用者的寄存器,并把调用者的程序计数器增加一个恰当的数值,以跳过已执行过的方法调用指令,然后在调用者的执行环境中继续执行下去。

异常捕捉

异常情况在Java中被称作Error(错误)或Exception(异常),是Throwable类的子类,在程序中的原因是:①动态链接错,如无法找到所需的class文件。②运行时错,如对一个空指针的引用。程序使用了throw语句。

当异常发生时,Java虚拟机采取如下措施:

· 检查与当前方法相联系的catch子句表。每个catch子句包含其有效指令范围,能够处理的异常类型,以及处理异常的代码块地址。

· 与异常相匹配的catch子句应该符合下面的条件:造成异常的指令在其指令范围之内,发生的异常类型是其能处理的异常类型的子类型。如果找到了匹 配的catch子句,那么系统转移到指定的异常处理块处执行;如果没有找到异常处理块,重复寻找匹配的catch子句的过程,直到当前方法的所有嵌套的 catch子句都被检查过。

· 由于虚拟机从第一个匹配的catch子句处继续执行,所以catch子句表中的顺序是很重要的。因为Java代码是结构化的,因此总可以把某个方 法的所有的异常处理器都按序排列到一个表中,对任意可能的程序计数器的值,都可以用线性的顺序找到合适的异常处理块,以处理在该程序计数器值下发生的异常 情况。

· 如果找不到匹配的catch子句,那么当前方法得到一个”未截获异常”的结果并返回到当前方法的调用者,好像异常刚刚在其调用者中发生一样。如果 在调用者中仍然没有找到相应的异常处理块,那么这种错误将被传播下去。如果错误被传播到最顶层,那么系统将调用一个缺省的异常处理块。

操作数栈区

机器指令只从操作数栈中取操作数,对它们进行操作,并把结果返回到栈中。选择栈结构的原因是:在只有少量寄存器或非通用寄存器的机器(如 Intel486)上,也能够高效地模拟虚拟机的行为。操作数栈是32位的。它用于给方法传递参数,并从方法接收结果,也用于支持操作的参数,并保存操作 的结果。例如,iadd指令将两个整数相加。相加的两个整数应该是操作数栈顶的两个字。这两个字是由先前的指令压进堆栈的。这两个整数将从堆栈弹出、相 加,并把结果压回到操作数栈中。

每个原始数据类型都有专门的指令对它们进行必须的操作。每个操作数在栈中需要一个存储位置,除了long和double型,它们需要两个位置。操作 数只能被适用于其类型的操作符所操作。例如,压入两个int类型的数,如果把它们当作是一个long类型的数则是非法的。在Sun的虚拟机实现中,这个限 制由字节码验证器强制实行。但是,有少数操作(操作符dupe和swap),用于对运行时数据区进行操作时是不考虑类型的。

本地方法栈,当一个线程调用本地方法时,它就不再受到虚拟机关于结构和安全限制方面的约束,它既可以访问虚拟机的运行期数据区,也可以使用本地处理 器以及任何类型的栈。例如,本地栈是一个C语言的栈,那么当C程序调用C函数时,函数的参数以某种顺序被压入栈,结果则返回给调用函数。在实现Java虚 拟机时,本地方法接口使用的是C语言的模型栈,那么它的本地方法栈的调度与使用则完全与C语言的栈相同。

3   Java虚拟机的运行过程

上面对虚拟机的各个部分进行了比较详细的说明,下面通过一个具体的例子来分析它的运行过程。

虚拟机通过调用某个指定类的方法main启动,传递给main一个字符串数组参数,使指定的类被装载,同时链接该类所使用的其它的类型,并且初始化它们。例如对于程序:

class HelloApp
{
 public static void main(String[] args)
 {
  System.out.println("Hello World!");
  for (int i = 0; i < args.length; i++ )
  {
   System.out.println(args[i]);
  }
 }
}

编译后在命令行模式下键入: java HelloApp run virtual machine

将通过调用HelloApp的方法main来启动java虚拟机,传递给main一个包含三个字符串”run”、”virtual”、”machine”的数组。现在我们略述虚拟机在执行HelloApp时可能采取的步骤。

开始试图执行类HelloApp的main方法,发现该类并没有被装载,也就是说虚拟机当前不包含该类的二进制代表,于是虚拟机使用 ClassLoader试图寻找这样的二进制代表。如果这个进程失败,则抛出一个异常。类被装载后同时在main方法被调用之前,必须对类 HelloApp与其它类型进行链接然后初始化。链接包含三个阶段:检验,准备和解析。检验检查被装载的主类的符号和语义,准备则创建类或接口的静态域以 及把这些域初始化为标准的默认值,解析负责检查主类对其它类或接口的符号引用,在这一步它是可选的。类的初始化是对类中声明的静态初始化函数和静态域的初 始化构造方法的执行。一个类在初始化之前它的父类必须被初始化。整个过程如下:

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图4:虚拟机的运行过程

4   结束语

本文通过对JVM的体系结构的深入研究以及一个Java程序执行时虚拟机的运行过程的详细分析,意在剖析清楚Java虚拟机的机理。

Java虚拟机支持的数据类型

Java虚拟机支持Java语言的基本数据类型如下:

byte://1字节有符号整数的补码

short://2字节有符号整数的补码

int://4字节有符号整数的补码

long://8字节有符号整数的补码

float://4字节IEEE754单精度浮点数

double://8字节IEEE754双精度浮点数

char://2字节无符号Unicode字符

虚拟机支持的其它数据类型包括:

object//对一个Javaobject(对象)的4字节引用

returnAddress//4字节,用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令

(在Sun公司的实现中,对object的引用是一个句柄,其中包含一对指针:一个指针指向该object的方法表,另一个指向该object的数据。)

jvm内容引用:http://baike.baidu.com/view/160708.htm

 

Java对象的创建方式

public class Constion extends ConstructorSuper implements Serializable{

private int age=22;

public static String head=”static”;

static{

System.out.println(head);

System.out.println(“加载静态代码块”);

}

public Constion (){

System.out.println(name);

System.out.println(“调用本类构造”);

}

public Constion (int age){

System.out.println(“调用本类构造”);

this.age=age;

}

public int getAge() {

return age;

}

public void setAge(int age) {

this.age = age;

}

}

public class ConstructorSuper {

public String name;

static{

System.out.println(“加载父类静态代码块”);

}

public ConstructorSuper(){

System.out.println(“调用父类构造”);

name=”张三”;

}

public String getName() {

return name;

}

public void setName(String name) {

this.name = name;

}

}

//对象创建方式一

Constionconstructor=new Constion ();

//对象创建方式二

Class classs=Class.forName(“com.revise.create. Constion”);

Object object=classs.newInstance();

对象的创建过程:

1. 初始化父类,为静态代码块静态属性分配空间 从顶级父类开始

2. 初始化父类,为属性赋值配置数据空间,从父类开始

object的引用是一个句柄,其中包含一对指针:一个指针指向该object的方法表,另一个指向该object的数

new 的执行内容:1.分配数据空间 2.初始化数据 3调用构造方法

关于string对象的创建:String对象有个存储池,每一个字符串在存储池里面都有唯一的地址,在创建string对象时,如果对象池内部没有创建的内容则会在对象池内部创建一个,否则则是引用对象池的该字符

Class类创建对象

Class.forName(String str)加载对象 返回的是一个Class对象如果该类还没有加载则会调用该类,static语句将会被执行。如果没有找到该类将会抛出ClassNoFountException

Class方法介绍

Class[] getInterfaces(),确定此对象所表示的类或接口实现的接口。

当使用.class创建对Class对象的引用时,不会自动初始化该Class对像,会执行如下三个步骤:

1. 加载:由类加载器执行,查找字节码,并从字节码中创建对象

2. 连接:在链接阶段将验证类中的字节码,为静态域分配空间,如果必须的话,将解析这个类创建的对其他类的引用

3. 初始化,如果该类有超类将会对其初始化,执行静态初始器和静态初始化块

Java5后Calss支持泛型

Class<Integer> cl=int.class;

注意点

Class<Number> cl=int.class;是错误的, Integer Class对象不是Number Class对象的子类

但是在声明Class<? Extends Number> cl=int.class可以通过;

泛型中不支持子类Class对象去实例化父类Class对象

类型转换

Cast(Object obj)

该方法是参数对象强转成Class引用类型

Class< Constion> csl= Constion.class;

ConstructorSuper constr=(ConstructorSuper) classs.newInstance();

Constion con=csl.cast(constr);

如果发生错误将会抛出ClassCastException异常

可以采用类型检查决定是否转换

If(xxxx instanceof XXXXX){ instanceof 返回boolean 判断对象是否是XXXXX的类型

转换

}

反射操作对象实战篇: 进行属性设置

注意点 方法的调用和和属性的获取和方法设置的权限有关系,pubilc private等

1.基础知识:

Class cla=XXXX.class;

(1).获取属性,设置属性

cla.getFields()获取属性列表

cla.getField(String fieldName) 获取属性值

Filed getName(String name)获取姓名

Filed getType();获取类型

Filed set(Object obj ,Object value) //setBoolen setFloat….

获取该对象的属性值

XXXX xxx=new XXXX();

Field field=XXXX.class.getField(“name”);

Object obj=field.get(xxx);//返回XXXX对象的该name属性值

field.get(XXXX);//获取XXXX的静态属性name

field.set(xxxx,”张三”);通过反射设置值

(2) 获取方法,调用方法

cla.getMethods();//获取方法数组

cla.getMethod(String methodName,Class[] cla) 第一个参数意义:方法名字,第二个是参数Class数组

Method invoke(Object obj,Object[] value);//调用方法,获取方法类型

method.invoke(constructor, “name”); //调用方法

method.invoke(constructor, new Object[]{…});//多参数

method.invoke(null, new Object[]{…});

执行静态方法

构造方法

getConstructor(Class cls) 获取当个构造方法

getConstructors() 获取构造方法数组

Constructors newInstance(Object obj) 调用构造方法

contort.newInstance(2);//创建对象

 

 

如何突破权限进行属性的设置和获取

Class 方法 getDeclaredField(String name)

getDeclaredMethod(String name ,Class[] classs)

Method Field设置setAccessible(true)

备注:反射是抓取基本类型无法获取父类型所定义的方法

实例代码:

Map map=new HashMap();

map.put(“name”,”张三”);

map.put(“age”, 22);

Class cls=Class.forName(“com.revise.create.Constion”);

Set<String> keys=map.keySet();

Collection values=map.values();

Constion constion=new Constion();

for(String key:keys){

Field filed=cls.getDeclaredField(key);

filed.setAccessible(true);

filed.set(constion, toType(map.get(key),filed.getType()));

}

Field filed=cls.getDeclaredField(“name”);

filed.setAccessible(true);

System.out.println(filed.get(constion));

}

//定义类型转换

private static Object toType(Object value,Type type){

String className=type.toString();;

if(className.equals(“class java.lang.String”)){

return value.toString();

}else if(className.equals(“int”)){

return Integer.parseInt(value.toString());

}

return null;

}

输出结果:张三

 

Java ClassLoader

1, 什么是ClassLoader

类加载器是负责加载类的对象。ClassLoader 类是一个抽象类。如果给定类的二进制名称,那么类加载器会试图查找或生成构成类定义的数据。一般策略是将名称转换为某个文件名,然后从文件系统读取该名称的“类文件”。ClassLoader 类使用委托模型来搜索类和资源。每个 ClassLoader 实例都有一个相关的父类加载器。需要查找类或资源时,ClassLoader 实例会在试图亲自查找类或资源之前,将搜索类或资源的任务委托给其父类加载器。虚拟机的内置类加载器(称为 “bootstrap class loader”)本身没有父类加载器,但是可以将它用作 ClassLoader 实例的父类加载器。

2 . ClassLoader的方法

 

A)loadClass

使用指定的二进制名称来加载类。此方法的默认实现将按以下顺序搜索类:

1. 调用 findLoadedClass(String) 来检查是否已经加载类。

2. 在父类加载器上调用 loadClass 方法。如果父类加载器为 null,则使用虚拟机的内置类加载器。

3. 调用 findClass(String) 方法查找类。

name – 类的二进制名称

resolve - 如果该参数为 true,则分析这个类

B)defineClass 
            protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) throws ClassFormatError

将一个 byte 数组转换为 Class 类的实例。必须分析 Class,然后才能使用它。 此方法将默认的 ProtectionDomain 分配给新定义的类。调用 Policy.getPolicy().getPermissions(new CodeSource(null, null)) 时,ProtectionDomain 被有效授予所返回的相同权限集。默认域在第一次调用 defineClass 时创建,并在后续调用时被重用。

C)findSystemClass

findSystemClass方法从本地文件系统中寻找类文件,如果存在,就使用defineClass将原始字节转换成Class对象,以将该文件转换成类。

D)resolveClass

可以不完全地(不带解析)装入类,也可以完全地(带解析)装入类。当编写我们自己的loadClass时可以调用resolveClass,这取决于loadClass的resolve参数的值。

E)findLoadedClass

findLoadedClass充当一个缓存:当请求loadClass装入类时,它调用该方法来查看ClassLoader是否已装入这个类,这样可以避免重新装入已存在类所造成的麻烦

 

3Java2ClassLoader的变动

1)loadClass的缺省实现

在Java2中loadClass的实现嵌入了大多数查找类的一般方法,并使您通过覆盖findClass方法来定制它,在适当的时候findClass会调用loadClass。

这种方式的好处是可能不一定要覆盖loadClass,只要覆盖findClass就行了,这减少了工作量。

2)新方法:findClass

使用指定的二进制名称查找类。

使用指定的二进制名称查找类。此方法应该被类加载器的实现重写,该实现按照委托模型来加载类。在通过父类加载器检查所请求的类后,此方法将被 loadClass 方法调用。默认实现抛出一个 ClassNotFoundException。

参数:

name – 类的二进制名称

返回:

得到的 Class 对象

3)新方法:getSystemClassLoader

如果覆盖findClass或loadClass,getSystemClassLoader让我们以实际ClassLoader对象来访问系统ClassLoader,而不是固定的从findSystemClass 调用它。

4)新方法:getParent

为了将类请求委托给父ClassLoader,这个新方法允许ClassLoader获取它的父ClassLoader。

4,定制ClassLoader

 

我们将写一个自己的ClassLoader实现示例,它将实现如下步骤,这也是ClassLoader的工作原理:

# 调用 findLoadedClass 来查看是否存在已装入的类。

# 如果没有,那么采用那种特殊的神奇方式来获取原始字节。

# 如果已有原始字节,调用defineClass将它们转换成Class对象。

# 如果没有原始字节,然后调用findSystemClass查看是否从本地文件系统获取类。

# 如果resolve参数是true,那么调用resolveClass解析Class对象。

# 如果还没有类,返回ClassNotFoundException。

# 否则,将类返回给调用程序。

 

类加载技术提升篇

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。

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,比较重要的方法如 表 1 所示。关于这些方法的细节会在下面进行介绍。

内部类的表示,如 com.example.Sample$1 和 com.example.Sample$Inner 等表示方式

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 表 1 中给出的 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。

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。比如一个 Java 类 com.example.Sample,编译之后生成了字节代码文件

代理模式是为了保证 Java 核心库的类型安全。所有 Java 应用都至少需要引用 java.lang.Object 类,也就是说在运行的时候,java.lang.Object 这个类需要被加载到 Java 虚拟机中。如果这个加载过程由 Java 应用自己的类加载器来完成的话,很可能就存在多个版本的 java.lang.Object 类,而且这些类之间是不兼容的。通过代理模式,对于 Java 核心库的类的加载工作由引导类加载器来统一完成,保证了 Java 应用所使用的都是同一个版本的 Java 核心库的类,是互相兼容的。

下面具体介绍类加载器加载类的详细过程。

加载类的过程

在前面介绍类加载器的代理模式的时候,提到过类加载器会首先代理给其它类加载器来尝试加载某个类。这就意味着真正完成类的加载工作的类加载器和启动这个加载过程的类加载器,有可能不是同一个。真正完成类的加载工作是通过调用 defineClass 来实现的;而启动类的加载过程是通过调用 loadClass 来实现的。前者称为一个类的定义加载器(defining loader),后者称为初始加载器(initiating loader)。在 Java 虚拟机判断两个类是否相同的时候,使用的是类的定义加载器。也就是说,哪个类加载器启动类的加载过程并不重要,重要的是最终定义这个类的加载器。两种类加载器的关联之处在于:一个类的定义加载器是它引用的其它类的初始加载器。如类 com.example.Outer 引用了类 com.example.Inner,则由类 com.example.Outer 的定义加载器负责启动类 com.example.Inner 的加载过程。

线程上下文类加载器

线程上下文类加载器(context class loader)是从 JDK 1.2 开始引入的。类 java.lang.Thread 中的方法 getContextClassLoader() 和 setContextClassLoader(ClassLoader cl) 用来获取和设置线程的上下文类加载器。如果没有通过 setContextClassLoader(ClassLoader cl) 方法进行设置的话,线程将继承其父线程的上下文类加载器。Java 应用运行的初始线程的上下文类加载器是系统类加载器。在线程中运行的代码可以通过此类加载器来加载类和资源

前面提到的类加载器的代理模式并不能解决 Java 应用开发中会遇到的类加载器的全部问题。Java 提供了很多服务提供者接口(Service Provider Interface,SPI),允许第三方为这些接口提供实现。常见的 SPI 有 JDBC、JCE、JNDI、JAXP 和 JBI 等。这些 SPI 的接口由 Java 核心库来提供,如 JAXP 的 SPI 接口定义包含在 javax.xml.parsers 包中。这些 SPI 的实现代码很可能是作为 Java 应用所依赖的 jar 包被包含进来,可以通过类路径(CLASSPATH)来找到,如实现了 JAXP SPI 的 Apache Xerces 所包含的 jar 包。SPI 接口中的代码经常需要加载具体的实现类。如 JAXP 中的 javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory 类中的 newInstance() 方法用来生成一个新的 DocumentBuilderFactory 的实例。这里的实例的真正的类是继承自 javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory,由 SPI 的实现所提供的。如在 Apache Xerces 中,实现的类是 org.apache.xerces.jaxp.DocumentBuilderFactoryImpl。而问题在于,SPI 的接口是 Java 核心库的一部分,是由引导类加载器来加载的;SPI 实现的 Java 类一般是由系统类加载器来加载的。引导类加载器是无法找到 SPI 的实现类的,因为它只加载 Java 的核心库。它也不能代理给系统类加载器,因为它是系统类加载器的祖先类加载器。也就是说,类加载器的代理模式无法解决这个问题。

线程上下文类加载器正好解决了这个问题。如果不做任何的设置,Java 应用的线程的上下文类加载器默认就是系统上下文类加载器。在 SPI 接口的代码中使用线程上下文类加载器,就可以成功的加载到 SPI 实现的类。线程上下文类加载器在很多 SPI 的实现中都会用到。

下面介绍另外一种加载类的方法:Class.forName。

Class.forName

Class.forName 是一个静态方法,同样可以用来加载类。该方法有两种形式:Class.forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader) 和 Class.forName(String className)。第一种形式的参数 name 表示的是类的全名;initialize 表示是否初始化类;loader 表示加载时使用的类加载器。第二种形式则相当于设置了参数 initialize 的值为 true,loader 的值为当前类的类加载器。Class.forName 的一个很常见的用法是在加载数据库驱动的时候。如 Class.forName(“org.apache.derby.jdbc.EmbeddedDriver”).newInstance() 用来加载 Apache Derby 数据库的驱动。

在介绍完类加载器相关的基本概念之后,下面介绍如何开发自己的类加载器。

开发自己的类加载器

虽然在绝大多数情况下,系统默认提供的类加载器实现已经可以满足需求。但是在某些情况下,您还是需要为应用开发出自己的类加载器。比如您的应用通过网络来传输 Java 类的字节代码,为了保证安全性,这些字节代码经过了加密处理。这个时候您就需要自己的类加载器来从某个网络地址上读取加密后的字节代码,接着进行解密和验证,最后定义出要在 Java 虚拟机中运行的类来。下面将通过两个具体的实例来说明类加载器的开发。

文件系统类加载器

第一个类加载器用来加载存储在文件系统上的 Java 字节代码。完整的实现如代码清单 6 所示。

清单 6. 文件系统类加载器

public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader {

private String rootDir;

public FileSystemClassLoader(String rootDir) {

this.rootDir = rootDir;

}

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

byte[] classData = getClassData(name);

if (classData == null) {

throw new ClassNotFoundException();

}

else {

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

}

}

private byte[] getClassData(String className) {

String path = classNameToPath(className);

try {

InputStream ins = new FileInputStream(path);

ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();

int bufferSize = 4096;

byte[] buffer = new byte[bufferSize];

int bytesNumRead = 0;

while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1) {

baos.write(buffer, 0, bytesNumRead);

}

return baos.toByteArray();

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

return null;

}

private String classNameToPath(String className) {

return rootDir + File.separatorChar

+ className.replace(‘.’, File.separatorChar) + “.class”;

}

}

(可选内容)

网络类加载器

下面将通过一个网络类加载器来说明如何通过类加载器来实现组件的动态更新。即基本的场景是:Java 字节代码(.class)文件存放在服务器上,客户端通过网络的方式获取字节代码并执行。当有版本更新的时候,只需要替换掉服务器上保存的文件即可。通过类加载器可以比较简单的实现这种需求。

类 NetworkClassLoader 负责通过网络下载 Java 类字节代码并定义出 Java 类。它的实现与 FileSystemClassLoader 类似。在通过 NetworkClassLoader 加载了某个版本的类之后,一般有两种做法来使用它。第一种做法是使用 Java 反射 API。另外一种做法是使用接口。需要注意的是,并不能直接在客户端代码中引用从服务器上下载的类,因为客户端代码的类加载器找不到这些类。使用 Java 反射 API 可以直接调用 Java 类的方法。而使用接口的做法则是把接口的类放在客户端中,从服务器上加载实现此接口的不同版本的类。在客户端通过相同的接口来使用这些实现类。网络类加载器的具体代码见下载。

在介绍完如何开发自己的类加载器之后,下面说明类加载器和 Web 容器的关系。

类加载器与 Web 容器

对于运行在 Java EE? 容器中的 Web 应用来说,类加载器的实现方式与一般的 Java 应用有所不同。不同的 Web 容器的实现方式也会有所不同。以 Apache Tomcat 来说,每个 Web 应用都有一个对应的类加载器实例。该类加载器也使用代理模式,所不同的是它是首先尝试去加载某个类,如果找不到再代理给父类加载器。这与一般类加载器的顺序是相反的。这是 Java Servlet 规范中的推荐做法,其目的是使得 Web 应用自己的类的优先级高于 Web 容器提供的类。这种代理模式的一个例外是:Java 核心库的类是不在查找范围之内的。这也是为了保证 Java 核心库的类型安全。

绝大多数情况下,Web 应用的开发人员不需要考虑与类加载器相关的细节。下面给出几条简单的原则:

每个 Web 应用自己的 Java 类文件和使用的库的 jar 包,分别放在 WEB-INF/classes 和 WEB-INF/lib 目录下面。

多个应用共享的 Java 类文件和 jar 包,分别放在 Web 容器指定的由所有 Web 应用共享的目录下面。

当出现找不到类的错误时,检查当前类的类加载器和当前线程的上下文类加载器是否正确。

在介绍完类加载器与 Web 容器的关系之后,下面介绍它与 OSGi 的关系。

类加载器与 OSGi

OSGi? 是 Java 上的动态模块系统。它为开发人员提供了面向服务和基于组件的运行环境,并提供标准的方式用来管理软件的生命周期。OSGi 已经被实现和部署在很多产品上,在开源社区也得到了广泛的支持。Eclipse 就是基于 OSGi 技术来构建的。

OSGi 中的每个模块(bundle)都包含 Java 包和类。模块可以声明它所依赖的需要导入(import)的其它模块的 Java 包和类(通过 Import-Package),也可以声明导出(export)自己的包和类,供其它模块使用(通过 Export-Package)。也就是说需要能够隐藏和共享一个模块中的某些 Java 包和类。这是通过 OSGi 特有的类加载器机制来实现的。OSGi 中的每个模块都有对应的一个类加载器。它负责加载模块自己包含的 Java 包和类。当它需要加载 Java 核心库的类时(以 java 开头的包和类),它会代理给父类加载器(通常是启动类加载器)来完成。当它需要加载所导入的 Java 类时,它会代理给导出此 Java 类的模块来完成加载。模块也可以显式的声明某些 Java 包和类,必须由父类加载器来加载。只需要设置系统属性 org.osgi.framework.bootdelegation 的值即可。

假设有两个模块 bundleA 和 bundleB,它们都有自己对应的类加载器 classLoaderA 和 classLoaderB。在 bundleA 中包含类 com.bundleA.Sample,并且该类被声明为导出的,也就是说可以被其它模块所使用的。bundleB 声明了导入 bundleA 提供的类 com.bundleA.Sample,并包含一个类 com.bundleB.NewSample 继承自 com.bundleA.Sample。在 bundleB 启动的时候,其类加载器 classLoaderB 需要加载类 com.bundleB.NewSample,进而需要加载类 com.bundleA.Sample。由于 bundleB 声明了类 com.bundleA.Sample 是导入的,classLoaderB 把加载类 com.bundleA.Sample 的工作代理给导出该类的 bundleA 的类加载器 classLoaderA。classLoaderA 在其模块内部查找类 com.bundleA.Sample 并定义它,所得到的类 com.bundleA.Sample 实例就可以被所有声明导入了此类的模块使用。对于以 java 开头的类,都是由父类加载器来加载的。如果声明了系统属性 org.osgi.framework.bootdelegation=com.example.core.*,那么对于包 com.example.core 中的类,都是由父类加载器来完成的。

OSGi 模块的这种类加载器结构,使得一个类的不同版本可以共存在 Java 虚拟机中,带来了很大的灵活性。不过它的这种不同,也会给开发人员带来一些麻烦,尤其当模块需要使用第三方提供的库的时候。下面提供几条比较好的建议:

如果一个类库只有一个模块使用,把该类库的 jar 包放在模块中,在 Bundle-ClassPath 中指明即可。

如果一个类库被多个模块共用,可以为这个类库单独的创建一个模块,把其它模块需要用到的 Java 包声明为导出的。其它模块声明导入这些类。

如果类库提供了 SPI 接口,并且利用线程上下文类加载器来加载 SPI 实现的 Java 类,有可能会找不到 Java 类。如果出现了 NoClassDefFoundError 异常,首先检查当前线程的上下文类加载器是否正确。通过 Thread.currentThread().getContextClassLoader() 就可以得到该类加载器。该类加载器应该是该模块对应的类加载器。如果不是的话,可以首先通过 class.getClassLoader() 来得到模块对应的类加载器,再通过 Thread.currentThread().setContextClassLoader() 来设置当前线程的上下文类加载器。

总结

类加载器是 Java 语言的一个创新。它使得动态安装和更新软件组件成为可能。本文详细介绍了类加载器的相关话题,包括基本概念、代理模式、线程上下文类加载器、与 Web 容器和 OSGi 的关系等。开发人员在遇到 ClassNotFoundException 和 NoClassDefFoundError 等异常的时候,应该检查抛出异常的类的类加载器和当前线程的上下文类加载器,从中可以发现问题的所在。在开发自己的类加载器的时候,需要注意与已有的类加载器组织结构的协调。



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