Java類載入器(深磕3)
【正文】Java類載入器( CLassLoader ) 深磕3:
揭祕 ClassLoader抽象基類
本小節目錄
3.1. 類的載入分類：隱式載入和顯示載入
3.2. 載入一個類的五步工作
3.3. 如何獲取類的載入器
3.4 解刨載入器——ClassLoader抽象基類揭祕
3.5. loadClass 關鍵原始碼分析
3.1. 揭祕ClassLoader抽象基類
3.1.1. 類的載入分類：隱式載入和顯示載入
java中類是動態載入的，jvm啟動的時候，並不會一次性載入所有的class檔案，而是根據需要去動態載入。一是加快啟動的速度，二是節約記憶體。如果一次性載入全部jar包的所有class，速度會很慢。
動態載入一個class類，有兩種方式：
(1) implicit隱式載入
即通過例項化才載入的特性來動態載入class。比如：
IPet dog=new Dog();
在新建物件時，如果Dog.class類沒有載入，則JVM 會在背後呼叫當前的AppClassLoader，載入Dog.class，並且初始化。
(2) explicit顯式載入
explicit顯式方式，又分兩種方式:
一是：java.lang.Class的forName()方法。 比如：
Class<?> aClass = Class.forName(className);
二是：java.lang.ClassLoader的loadClass()方法。 比如：
FileClassLoader classLoader = new FileClassLoader(null，baseDir);
Class<?> aClass = classLoader.loadClass(className);
下面有兩個問題：
兩種顯示載入的方式，有何區別呢？
兩種顯示載入的方式，有何聯絡呢？
花開兩朵，各表一枝。 現在先介紹通過第二種ClassLoader顯式載入方法 ，其類的載入過程。然後再進行兩種方式的比對。
在介紹ClassLoader顯式載入前，先回顧一下類的載入過程。
3.1.2. 載入一個類的五步工作
在瘋狂創客圈的《死磕java》工程原始碼中，有一個常用的系統屬性的配置類——SystemConfig 。下面以次為例，展示一下類的載入過程。
原始碼如下：
package com.crazymakercircle.config;
.....................
@ConfigFileAnno(file = "/system.properties")
public class SystemConfig extends ConfigProperties
{
static
{
Logger.info("開始載入配置檔案到SystemConfig");
//依照註解裝載配置項
loadAnnotations(SystemConfig.class);
}
....................................
@ConfigFieldAnno(proterty = "debug")
public static boolean debug;
/**
* 寵物工廠類的名稱
*/
@ConfigFieldAnno(proterty = "pet.factory.class")
public static String PET_FACTORY_CLASS;
/**
* 寵物模組的類路徑
*/
@ConfigFieldAnno(proterty = "pet.lib.path")
public static String PET_LIB_PATH;
}
編譯完成後，這個”.java”檔案經過Java編譯器編譯成拓展名為”.class”檔案——SystemConfig.class，這個”.class”檔案中儲存著Java程式碼經轉換後的虛擬機器指令。
當需要使用這個類時，虛擬機器將會載入它的SystemConfig.class”檔案，並建立對應的class物件，將class檔案載入到虛擬機器的記憶體，這個過程稱為類載入，這個就是類載入的過程。
類載入的過程分為五步：載入、驗證、準備、解析、初始化。
一、載入：
通過一個類的完全限定名稱，查詢此類位元組碼”.class”檔案，讀入記憶體形成位元組碼流。並建立一個Class物件。
二、驗證
檢查位元組流中包含資訊符合虛擬機器要求，不會危害虛擬機器自身安全。主要包括四種驗證，檔案格式驗證，元資料驗證，位元組碼驗證，符號引用驗證。
三、準備
主要的工作是，在方法區分配靜態變數的記憶體，並且進行記憶體的初始化，設定初始值即0。
四、解析
主要將常量池中的符號引用進行翻譯，翻譯為直接引用，也就是在記憶體中的地址。
五、初始化
首先，如果類的存在靜態變數需要進行賦值，在這個階段完成。
其次，如果有static 靜態塊，在這個階段執行。
再次，若該類具有超類，則對其進行初始化。
例項中，通過這一步，完成執行SystemConfig 類的static塊的執行，並且為每一個配置項賦值，因為都是靜態的。
通過這個五步，一個類的全限定名的”.class”檔案，完成了轉換為一個與目標類對應的java.lang.Class物件例項的工作。 實際的工作，遠遠比上面的陳述的負責。為了方便理解和記憶，上面進行了大大的簡化，只是提取出主要的特徵。
以上五步的中間3個步驟，驗證、準備、解析，合起來有一個統稱，叫類的連結。
3.1.3. 如何獲取類的載入器
使用 getClassLoader() 方法，可以取得類的載入器。如果是應用程式的class path下的類，載入器一般為AppClassLoader 型別。當前，並不是絕對的，這個後面講到如何去定製和修改。
檢視一下當前例項的應用程式類所屬的classLoader，程式碼如下：
public static void showCurrentClassLoader()
{
Logger.info("");
Logger.info("顯示當前類的ClassLoader::");
Logger.info("class=" + ClassLoaderDemo.class.getCanonicalName());
ClassLoader loader = ClassLoaderDemo.class.getClassLoader();
Logger.info("Loader=" + loader.toString());
}
結果如下：
showCurrentClassLoader |> 顯示當前類的ClassLoader:: showCurrentClassLoader |> class=com.crazymakercircle.classLoaderDemo.base.ClassLoaderDemo showCurrentClassLoader |> [email protected]
程式碼如下：
public static void showAppLoader()
{
String className = "com.crazymakercircle.config.SystemConfig";
Class<?> target = null;
try
{
//根據類名 顯示載入載入類
target = Class.forName(className);
} catch (ClassNotFoundException e)
{
e.printStackTrace();
}
Logger.info("顯示載入的類的ClassLoader:");
Logger.info("class=" + target.getCanonicalName());
ClassLoader loader = target.getClassLoader();
Logger.info("Loader=" + loader.toString());
}
結果如下：
showAppLoader |> 顯示載入的類的ClassLoader:
showAppLoader |> class=com.crazymakercircle.config.SystemConfig
showAppLoader |> [email protected]
%java.ext.dirs% 下jar中類的載入器，型別一定為Extention ClassLoader。比方說，DNSNameService 域名服務類是一個典型的 lib\ext 中的dnsns.jar包中的類，我們來看下他的載入器。程式碼如下：
public static void showExtClassLoader()
{
ClassLoader loader = DNSNameService.class.getClassLoader();
Logger.info("");
Logger.info("%java.ext.dirs% 下類的ClassLoader:");
Logger.info("class=" + DNSNameService.class.getCanonicalName());
Logger.info("Loader=" + loader.toString());
}
結果如下：
showExtClassLoader |> %java.ext.dirs% 下類的ClassLoader: showExtClassLoader |> class=sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService showExtClassLoader |> [email protected]
%java.home% 下jar中類的載入器，我們可以理所當然的認為，一定是Bootstrap ClassLoader 載入器型別。 比方說，String 類是一個典型的系統屬性%java.home% 目錄下 rt.jar 中的類，我們來看下他的載入器。程式碼如下：
public static void showBootstrapClassLoader()
{
ClassLoader loader = String.class.getClassLoader();
Logger.info("");
Logger.info("%java.home%下類的ClassLoader:");
Logger.info("class=" + String.class.getCanonicalName());
Logger.info("Loader=" + loader);
}
遺憾的時，結果與前面兩個載入器，大不一樣。
結果如下：
showBootstrapClassLoader |> %java.home%下類的ClassLoader: showBootstrapClassLoader |> class=java.lang.String showBootstrapClassLoader |> Loader=null
1.1.4. 解刨載入器——揭祕ClassLoader抽象基類
ClassLoader類是Java 中的 所有ClassLoader 的基類，在java.lang包中。這是一個抽象類。
ClassLoader類，包含了所有類載入器的三個重要組成部分：
（1）載入成功的Class 物件的快取；
（2）類的查詢路徑
（3）loadClass(String name）
ClassLoader載入器將載入成功的Class 物件，加入一個Vector 動態陣列中，避免重複載入。 這個Vector 動態陣列，也就是載入成功的classes的快取。
原始碼如下：
// The classes loaded by this class loader. The only purpose of this table // is to keep the classes from being GC'ed until the loader is GC'ed. private final Vector<Class<?>> classes = new Vector<>();前面提到，每一個載入器，都有一個自己的查詢範圍，是一系列的jar包或者類路徑，稱之為查詢路徑。形象的說，這個查詢路徑，就像是ClassLoader載入類的專屬的地盤。
其原始碼如下：
// The paths searched for libraries private static String usr_paths[]; private static String sys_paths[];講了這麼多，終於到了關鍵點——ClassLoader載入一個類的祕密在哪裡？。
載入類的方法是：
ClassLoader的loadClass(String name)方法，是類載入器中一個比較重要的方法。其作用是，用於載入一個類。
這個方法，比較理想的流程，大致如下面所示：
（1）首先在快取中找，是否已經載入。如果找到就返回。
（2）如果找不到，就去查詢路徑查詢檔案。如果找出類的.class位元組碼，則去完成載入一個類的五步工作，放入自己的快取中，然後返回給呼叫者。
loadClass(String name)方法，充分將前面的 classes 快取和查詢路徑利用起來，將他們串在了一起。
實際上，這僅僅只是一個理想化的結果。
實際的類載入流程，遠遠比以上的假想流程，複雜得多。
直接來看 loadClass 方法的原始碼吧，這樣反而簡單、粗暴、直接。
1.1.5. loadClass 關鍵原始碼分析
loadClass 方法的原始碼如下：
protected Class<?> loadClass(String name， boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { //在載入器的快取中，按照類名，查詢已經載入好的現成類 Class<?> c = findLoadedClass(name); //如果載入成功，就直接返回了 //如果還沒有找到，尷尬了 if (c == null) { .... try { if (parent != null) { //優先讓父載入器去載入，若父載入器不為空的話 c = parent.loadClass(name， false); } else { //若父載入器為空，則通過Bootstrap Classloader 載入 c = findBootstrapClassOrNull(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { .... } if (c == null) { // 如果父載入器、啟動類載入器，都沒有找到 // 才呼叫findclass，從自己的地盤，類路徑載入 c = findClass(name); .... } } ....... return c; } } }上面的程式碼中，與流程無關的程式碼直接省略了。
概況一下，loadClass的大致流程如下：
1. 執行findLoadedClass(String)去快取檢測這個class是不是已經載入過了。 在載入器的快取中，按照類名，查詢已經載入好的現成類。如果找到，直接返回了。
2. 如果沒有找到，執行parent父載入器的loadClass方法。通過父載入器載入。注意：這裡不是去自己的地盤查詢class檔案，而是優先通過父載入器載入。這點，非常重要。具體原因，後面會講到。
3. 若父載入器為空，則通過Bootstrap Classloader 載入。
4. 如果父載入器、啟動類載入器，都沒有找到，才呼叫findclass，從自己的地盤，自己的類路徑去查詢位元組碼檔案，通過findClass(String)查詢。
抽絲剝繭之後，loadClass 方法的原始碼其實也不過如此，比較簡單。
但是，這裡已經有兩個疑問：
（1）一個載入器的parent是誰？
（2）為什麼優先從parent載入，而不是從自己的地盤載入？
欲知後事如何，請看下回分解。
原始碼：
程式碼工程: classLoaderDemo.zip
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5. 入門案例：自定義一個檔案系統的自定義classLoader