計算機程序的思惟邏輯 (87) - 類加載機制

時間  2019-11-17
標籤 計算機 程序 思惟 邏輯 加載 機制 简体版
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本系列文章經補充和完善，已修訂整理成書《Java編程的邏輯》（馬俊昌著），由機械工業出版社華章分社出版，於2018年1月上市熱銷，讀者好評如潮！各大網店和書店有售，歡迎購買：京東自營連接 html

上節，咱們探討了動態代理，在前幾節中，咱們屢次提到了類加載器ClassLoader，本節就來詳細討論Java中的類加載機制與ClassLoader。java

類加載器ClassLoader就是加載其餘類的類，它負責將字節碼文件加載到內存，建立Class對象。與以前介紹的反射、註解、和動態代理同樣，在大部分的應用編程中，咱們不太須要本身實現ClassLoader。git

不過，理解類加載的機制和過程，有助於咱們更好的理解以前介紹的內容，更好的理解Java。在反射一節，咱們介紹過Class的靜態方法Class.forName，理解類加載器有助於咱們更好的理解該方法。程序員

ClassLoader通常是系統提供的，不須要本身實現，不過，經過建立自定義的ClassLoader，能夠實現一些強大靈活的功能，好比：github

  • 熱部署，在不重啓Java程序的狀況下，動態替換類的實現，好比Java Web開發中的JSP技術就利用自定義的ClassLoader實現修改JSP代碼即生效，OSGI (Open Service Gateway Initiative)框架使用自定義ClassLoader實現動態更新。
  • 應用的模塊化和相互隔離，不一樣的ClassLoader能夠加載相同的類但互相隔離、互不影響。Web應用服務器如Tomcat利用這一點在一個程序中管理多個Web應用程序，每一個Web應用使用本身的ClassLoader，這些Web應用互不干擾。OSGI利用這一點實現了一個動態模塊化架構，每一個模塊有本身的ClassLoader，不一樣模塊能夠互不干擾。
  • 從不一樣地方靈活加載，系統默認的ClassLoader通常從本地的.class文件或jar文件中加載字節碼文件，經過自定義的ClassLoader，咱們能夠從共享的Web服務器、數據庫、緩存服務器等其餘地方加載字節碼文件。

理解自定義ClassLoader有助於咱們理解這些系統程序和框架，如Tomat, JSP, OSGI，在業務須要的時候，也能夠藉助自定義ClassLoader實現動態靈活的功能。正則表達式

下面，咱們首先來進一步理解Java加載類的過程，理解類ClassLoader和Class.forName，介紹一個簡單的應用，而後咱們探討如何實現自定義ClassLoader，演示如何利用它實現熱部署。數據庫

類加載的基本機制和過程

運行Java程序，就是執行java這個命令，指定包含main方法的完整類名，以及一個classpath，即類路徑。類路徑能夠有多個，對於直接的class文件，路徑是class文件的根目錄，對於jar包，路徑是jar包的完整名稱（包括路徑和jar包名）。編程

Java運行時，會根據類的徹底限定名尋找並加載類，尋找的方式基本就是在系統類和指定的類路徑中尋找，若是是class文件的根目錄，則直接查看是否有對應的子目錄及文件，若是是jar文件，則首先在內存中解壓文件，而後再查看是否有對應的類。swift

負責加載類的類就是類加載器，它的輸入是徹底限定的類名，輸出是Class對象。類加載器不是隻有一個，通常程序運行時，都會有三個：設計模式

  • 啓動類加載器(Bootstrap ClassLoader)：這個加載器是Java虛擬機實現的一部分，不是Java語言實現的，通常是C++實現的，它負責加載Java的基礎類，主要是<JAVA_HOME>/lib/rt.jar，咱們平常用的Java類庫好比String, ArrayList等都位於該包內。
  • 擴展類加載器(Extension ClassLoader)：這個加載器的實現類是sun.misc.Launcher$ExtClassLoader，它負責加載Java的一些擴展類，通常是<JAVA_HOME>/lib/ext目錄中的jar包。
  • 應用程序類加載器(Application ClassLoader)：這個加載器的實現類是sun.misc.Launcher$AppClassLoader，它負責加載應用程序的類，包括本身寫的和引入的第三方法類庫，即全部在類路徑中指定的類。

這三個類加載器有必定的關係，能夠認爲是父子關係，Application ClassLoader的父親是Extension ClassLoader，Extension的父親是Bootstrap ClassLoader，注意不是父子繼承關係，而是父子委派關係，子ClassLoader有一個變量parent指向父ClassLoader，在子ClassLoader加載類時，通常會首先經過父ClassLoader加載，具體來講，在加載一個類時，基本過程是：

  1. 判斷是否已經加載過了，加載過了，直接返回Class對象，一個類只會被一個ClassLoader加載一次。
  2. 若是沒有被加載，先讓父ClassLoader去加載，若是加載成功，返回獲得的Class對象。
  3. 在父ClassLoader沒有加載成功的前提下，本身嘗試加載類。

這個過程通常被稱爲"雙親委派"模型，即優先讓父ClassLoader去加載。爲何要先讓父ClassLoader去加載呢？這樣，能夠避免Java類庫被覆蓋的問題，好比用戶程序也定義了一個類java.lang.String，經過雙親委派，java.lang.String只會被Bootstrap ClassLoader加載，避免自定義的String覆蓋Java類庫的定義。

須要瞭解的是，"雙親委派"雖然是通常模型，但也有一些例外，好比：

  • 自定義的加載順序：儘管不被建議，自定義的ClassLoader能夠不聽從"雙親委派"這個約定，不過，即便不聽從，以"java"開頭的類也不能被自定義類加載器加載，這是由Java的安全機制保證的，以免混亂。
  • 網狀加載順序：在OSGI框架中，類加載器之間的關係是一個網，每一個OSGI模塊有一個類加載器，不一樣模塊之間可能有依賴關係，在一個模塊加載一個類時，多是從本身模塊加載，也多是委派給其餘模塊的類加載器加載。
  • 父加載器委派給子加載器加載：典型的例子有JNDI服務(Java Naming and Directory Interface)，它是Java企業級應用中的一項服務，具體咱們就不介紹了。

一個程序運行時，會建立一個Application ClassLoader，在程序中用到ClassLoader的地方，若是沒有指定，通常用的都是這個ClassLoader，因此，這個ClassLoader也被稱爲系統類加載器(System ClassLoader)。

下面，咱們來具體看下錶示類加載器的類 - ClassLoader。

理解ClassLoader

基本用法

類ClassLoader是一個抽象類，Application ClassLoader和Extension ClassLoader的具體實現類分別是sun.misc.LauncherAppClassLoader和sun.misc.LauncherExtClassLoader，Bootstrap ClassLoader不是由Java實現的，沒有對應的類。

每一個Class對象都有一個方法，能夠獲取實際加載它的ClassLoader，方法是：

public ClassLoader getClassLoader() 複製代碼

ClassLoader有一個方法，能夠獲取它的父ClassLoader：

public final ClassLoader getParent() 複製代碼

若是ClassLoader是Bootstrap ClassLoader，返回值爲null。

好比：

public class ClassLoaderDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader cl = ClassLoaderDemo.class.getClassLoader();
        while (cl != null) {
            System.out.println(cl.getClass().getName());
            cl = cl.getParent();
        }
        
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
    }
}
複製代碼

輸出爲：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
null
複製代碼

ClassLoader有一個靜態方法，能夠獲取默認的系統類加載器：

public static ClassLoader getSystemClassLoader() 複製代碼

ClassLoader中有一個主要方法，用於加載類：

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException
複製代碼

好比：

ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();
try {
    Class<?> cls = cl.loadClass("java.util.ArrayList");
    ClassLoader actualLoader = cls.getClassLoader();
    System.out.println(actualLoader);
} catch (ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}    
複製代碼

須要說明的是，因爲委派機制，Class的getClassLoader()方法返回的不必定是調用loadClass的ClassLoader，好比，上面代碼中，java.util.ArrayList實際由BootStrap ClassLoader加載，因此返回值就是null。

ClassLoader vs Class.forName

在反射一節，咱們介紹過Class的兩個靜態方法forName：

public static Class<?> forName(String className)
public static Class<?> forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader)
複製代碼

第一個方法使用系統類加載器加載，第二個指定ClassLoader，參數initialize表示，加載後，是否執行類的初始化代碼(如static語句塊)，沒有指定默認爲true。

ClassLoader的loadClass方法與forName方法均可以加載類，它們有什麼不一樣呢？基本是同樣的，不過，有一個不一樣，ClassLoader的loadClass不會執行類的初始化代碼，看個例子：

public class CLInitDemo {
    public static class Hello {
        static {
            System.out.println("hello");
        }
    };

    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        String className = CLInitDemo.class.getName() + "$Hello";
        try {
            Class<?> cls = cl.loadClass(className);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
複製代碼

使用ClassLoader加載靜態內部類Hello，Hello有一個static語句塊，輸出"hello"，運行該程序，類被加載了，但沒有任何輸出，即static語句塊沒有被執行。若是將loadClass的語句換爲：

Class<?> cls = Class.forName(className);
複製代碼

則static語句塊會被執行，屏幕將輸出"hello"。

實現代碼

咱們來看下ClassLoader的loadClass代碼，以進一步理解其行爲：

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    return loadClass(name, false);
}
複製代碼

它調用了另外一個loadClass方法，其主要代碼爲(省略了一些代碼，加了註釋，以便於理解)：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 首先，檢查類是否已經被加載了
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            //沒被加載，先委派父ClassLoader或BootStrap ClassLoader去加載
            try {
                if (parent != null) {
                    //委派父ClassLoader，resolve參數固定爲false
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                //沒找到，捕獲異常，以便嘗試本身加載 
            }
            if (c == null) {
                // 本身去加載，findClass纔是當前ClassLoader的真正加載方法
                c = findClass(name);
            }
        }
        if (resolve) {
            // 連接，執行static語句塊
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}
複製代碼

參數resolve相似Class.forName中的參數initialize，能夠看出，其默認值爲false，即便經過自定義ClassLoader重寫loadClass，設置resolve爲true，它調用父ClassLoader的時候，傳遞的也是固定的false。

findClass是一個protected方法，類ClassLoader的默認實現就是拋出ClassNotFoundException，子類應該重寫該方法，實現本身的加載邏輯，後文咱們會看個具體例子。

類加載應用 - 可配置的策略

能夠經過ClassLoader的loadClass或Class.forName本身加載類，但什麼狀況須要本身加載類呢？

不少應用使用面向接口的編程，接口具體的實現類可能有不少，適用於不一樣的場合，具體使用哪一個實現類在配置文件中配置，經過更改配置，不用改變代碼，就能夠改變程序的行爲，在設計模式中，這是一種策略模式，咱們看個簡單的示例。

定義一個服務接口IService：

public interface IService {
    public void action();
}
複製代碼

客戶端經過該接口訪問其方法，怎麼得到IService實例呢？查看配置文件，根據配置的實現類，本身加載，使用反射建立實例對象，示例代碼爲：

public class ConfigurableStrategyDemo {
    public static IService createService() {
        try {
            Properties prop = new Properties();
            String fileName = "data/c87/config.properties";
            prop.load(new FileInputStream(fileName));
            String className = prop.getProperty("service");
            Class<?> cls = Class.forName(className);
            return (IService) cls.newInstance();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        IService service = createService();
        service.action();
    }
}
複製代碼

config.properties的內容示例爲：

service=shuo.laoma.dynamic.c87.ServiceB
複製代碼

代碼比較簡單，就不贅述了。

自定義ClassLoader

基本用法

Java類加載機制的強大之處在於，咱們能夠建立自定義的ClassLoader，自定義ClassLoader是Tomcat實現應用隔離、支持JSP，OSGI實現動態模塊化的基礎。

怎麼自定義呢？通常而言，繼承類ClassLoader，重寫findClass就能夠了。怎麼實現findClass呢？使用本身的邏輯尋找class文件字節碼的字節形式，找到後，使用以下方法轉換爲Class對象：

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
複製代碼

name表示類名，b是存放字節碼數據的字節數組，有效數據從off開始，長度爲len。

看個例子：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {

    private static final String BASE_DIR = "data/c87/";

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        String fileName = name.replaceAll("\\.", "/");
        fileName = BASE_DIR + fileName + ".class";
        try {
            byte[] bytes = BinaryFileUtils.readFileToByteArray(fileName);
            return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
        } catch (IOException ex) {
            throw new ClassNotFoundException("failed to load class " + name, ex);
        }
    }
}
複製代碼

MyClassLoader從BASE_DIR下的路徑中加載類，它使用了咱們在57節介紹的BinaryFileUtils讀取文件，轉換爲byte數組。MyClassLoader沒有指定父ClassLoader，默認是系統類加載器，即ClassLoader.getSystemClassLoader()的返回值，不過，ClassLoader有一個可重寫的構造方法，能夠指定父ClassLoader：

protected ClassLoader(ClassLoader parent) 複製代碼

用途

MyClassLoader有什麼用呢？將BASE_DIR加到classpath中不就好了，確實能夠，這裏主要是演示基本用法，實際中，能夠從Web服務器、數據庫或緩存服務器獲取bytes數組，這就不是系統類加載器能作到的了。

不過，不把BASE_DIR放到classpath中，而是使用MyClassLoader加載，確實有一個很大的好處，能夠建立多個MyClassLoader，對同一個類，每一個MyClassLoader均可以加載一次，獲得同一個類的不一樣Class對象，好比：

MyClassLoader cl1 = new MyClassLoader();
String className = "shuo.laoma.dynamic.c87.HelloService";
Class<?> class1 = cl1.loadClass(className);

MyClassLoader cl2 = new MyClassLoader();
Class<?> class2 = cl2.loadClass(className);

if (class1 != class2) {
    System.out.println("different classes");
}
複製代碼

cl1和cl2是兩個不一樣的ClassLoader，class1和class2對應的類名同樣，但它們是不一樣的對象。

這到底有什麼用呢？

  • 能夠實現隔離，一個複雜的程序，內部可能按模塊組織，不一樣模塊可能使用同一個類，但使用的是不一樣版本，若是使用同一個類加載器，它們是沒法共存的，不一樣模塊使用不一樣的類加載器就能夠實現隔離，Tomcat使用它隔離不一樣的Web應用，OSGI使用它隔離不一樣模塊。
  • 能夠實現熱部署，使用同一個ClassLoader，類只會被加載一次，加載後，即便class文件已經變了，再次加載，獲得的也仍是原來的Class對象，而使用MyClassLoader，則能夠先建立一個新的ClassLoader，再用它加載Class，獲得的Class對象就是新的，從而實現動態更新。

下面，咱們來具體看熱部署的示例。

自定義ClassLoader的應用 - 熱部署

所謂熱部署，就是在不重啓應用的狀況下，當類的定義，即字節碼文件修改後，可以替換該Class建立的對象，怎麼作到這一點呢？咱們利用MyClassLoader，看個簡單的示例。

咱們使用面向接口的編程，定義一個接口IHelloService：

public interface IHelloService {
    public void sayHello();
}
複製代碼

實現類是shuo.laoma.dynamic.c87.HelloImpl，class文件放到MyClassLoader的加載目錄中。

演示類是HotDeployDemo，它定義瞭如下靜態變量：

private static final String CLASS_NAME = "shuo.laoma.dynamic.c87.HelloImpl";
private static final String FILE_NAME = "data/c87/"
            +CLASS_NAME.replaceAll("\\.", "/")+".class";
private static volatile IHelloService helloService;
複製代碼

CLASS_NAME表示實現類名稱，FILE_NAME是具體的class文件路徑，helloService是IHelloService實例。

當CLASS_NAME表明的類字節碼改變後，咱們但願從新建立helloService，反映最新的代碼，怎麼作呢？先看用戶端獲取IHelloService的方法：

public static IHelloService getHelloService() {
    if (helloService != null) {
        return helloService;
    }
    synchronized (HotDeployDemo.class) {
        if (helloService == null) {
            helloService = createHelloService();
        }
        return helloService;
    }
}
複製代碼

這是一個單例模式，createHelloService()的代碼爲：

private static IHelloService createHelloService() {
    try {
        MyClassLoader cl = new MyClassLoader();
        Class<?> cls = cl.loadClass(CLASS_NAME);
        if (cls != null) {
            return (IHelloService) cls.newInstance();
        }
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
    return null;
}
複製代碼

它使用MyClassLoader加載類，並利用反射建立實例，它假定實現類有一個public無參構造方法。

在調用IHelloService的方法時，客戶端老是先經過getHelloService獲取實例對象，咱們模擬一個客戶端線程，它不停的獲取IHelloService對象，並調用其方法，而後睡眠1秒鐘，其代碼爲：

public static void client() {
    Thread t = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                while (true) {
                    IHelloService helloService = getHelloService();
                    helloService.sayHello();
                    Thread.sleep(1000);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }
    };
    t.start();
}
複製代碼

怎麼知道類的class文件發生了變化，並從新建立helloService對象呢？咱們使用一個單獨的線程模擬這一過程，代碼爲：

public static void monitor() {
    Thread t = new Thread() {
        private long lastModified = new File(FILE_NAME).lastModified();

        @Override
        public void run() {
            try {
                while (true) {
                    Thread.sleep(100);
                    long now = new File(FILE_NAME).lastModified();
                    if (now != lastModified) {
                        lastModified = now;
                        reloadHelloService();
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }
    };
    t.start();
}
複製代碼

咱們使用文件的最後修改時間來跟蹤文件是否發生了變化，當文件修改後，調用reloadHelloService()來從新加載，其代碼爲：

public static void reloadHelloService() {
    helloService = createHelloService();
}
複製代碼

就是利用MyClassLoader從新建立HelloService，建立後，賦值給helloService，這樣，下次getHelloService()獲取到的就是最新的了。

在主程序中啓動client和monitor線程，代碼爲：

public static void main(String[] args) {
    monitor();
    client();
}
複製代碼

在運行過程當中，替換HelloImpl.class，能夠看到行爲會變化，爲便於演示，咱們在data/c87/shuo/laoma/dynamic/c87/目錄下準備了兩個不一樣的實現類HelloImpl_origin.class和HelloImpl_revised.class，在運行過程當中替換，會看到輸出不同，以下圖所示：

使用cp命令修改HelloImpl.class，若是其內容與 HelloImpl_origin.class同樣，輸出爲"hello"，若是與 HelloImpl_revised.class同樣，輸出爲"hello revised"。

完整的代碼和數據在github上，文末有連接。

小結

本節探討了Java中的類加載機制，包括Java加載類的基本過程，類ClassLoader的用法，以及如何建立自定義的ClassLoader，探討了兩個簡單應用示例，一個經過動態加載實現可配置的策略，另外一個經過自定義ClassLoader實現熱部署。

從84節到本節，咱們探討了Java中的多個動態特性，包括反射、註解、動態代理和類加載器，做爲應用程序員，大部分用的都比較少，用的較多的就是使用框架和庫提供的各類註解了，但這些特性大量應用於各類系統程序、框架、和庫中，理解這些特性有助於咱們更好的理解它們，也能夠在須要的時候本身實現動態、通用、靈活的功能。

在註解一節，咱們提到，註解是一種聲明式編程風格，它提升了Java語言的表達能力，平常編程中一種常見的需求是文本處理，在計算機科學中，有一種技術大大提升了文本處理的表達能力，那就是正則表達式，大部分編程語言都有對它的支持，它有什麼強大功能呢？

(與其餘章節同樣，本節全部代碼位於 github.com/swiftma/pro…，位於包shuo.laoma.dynamic.c87下)

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