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探讨Java的类加载机制
阅读量:2226 次
发布时间:2019-05-09

本文共 6745 字,大约阅读时间需要 22 分钟。

Java 语言是一种具有动态性的解释型编程语言,当指定程序运行的时候, Java 虚拟机就将编译生成的 . class 文件按照需求和一定的规则加载进内存,并组织成为一个完整的 Java 应用程序。 Java 语言把每个单独的类 Class 和接口 Implements 编译成单独的一个 . class 文件,这些文件对于 Java 运行环境来说就是一个个可以动态加载的单元。正是因为 Java 的这种特性,我们可以在不重新编译其它代码的情况下,只编译需要修改的单元,并把修改文件编译后的 . class 文件放到 Java 的路径当中, 等到下次该 Java 虚拟机器重新激活时,这个逻辑上的 Java 应用程序就会因为加载了新修改的 .class 文件,自己的功能也做了更新,这就是 Java 的动态性。

1. 预先加载与依需求加载
    Java 运行环境为了优化系统,提高程序的执行速度,在 JRE 运行的开始会将 Java 运行所需要的基本类采用预先加载( pre-loading )的方法全部加载要内存当中,因为这些单元在 Java 程序运行的过程当中经常要使用的,主要包括 JRE 的 rt.jar 文件里面所有的 .class 文件。
    当 java.exe 虚拟机开始运行以后,它会找到安装在机器上的 JRE 环境,然后把控制权交给 JRE , JRE 的类加载器会将 lib 目录下的 rt.jar 基础类别文件库加载进内存,这些文件是 Java 程序执行所必须的,所以系统在开始就将这些文件加载,避免以后的多次 IO 操作,从而提高程序执行效率。
2. 隐式加载和显示加载
    Java 的加载方式分为隐式加载( implicit )和显示加载( explicit ),上面的例子中就是用的隐式加载的方式。所谓隐式加载就是我们在程序中用 new 关键字来定义一个实例变量, JRE 在执行到 new 关键字的时候就会把对应的实例类加载进入内存。隐式加载的方法很常见,用的也很多, JRE 系统在后台自动的帮助用户加载,减少了用户的工作量,也增加了系统的安全性和程序的可读性。
    相对于隐式加载的就是我们不经常用到的显示加载。所谓显示加载就是有程序员自己写程序把需要的类加载到内存当中,
显式加载的方法有:
Class 类的 forName (String s),
Class forName(String s, boolean flag, ClassLoader classloader) , s 表示需要加载类的名称, flag 表示在调用该函数加载类的时候是否初始化静态区, classloader 表示加载该类所需的加载器。
. getClass().
4. 类加载器的阶层体系
    当执行 java ***.class 的时候, java.exe 会帮助我们找到 JRE ,接着找到位于 JRE 内部的 jvm.dll ,这才是真正的 Java 虚拟机器 , 最后加载动态库,激活 Java 虚拟机器。虚拟机器激活以后,会先做一些初始化的动作,比如说读取系统参数等。一旦初始化动作完成之后,就会产生第一个类加载器―― Bootstrap Loader ,这个 Bootstrap Loader 所做的初始工作中,除了一些基本的初始化动作之外,最重要的就是加载 Launcher.java 之中的 ExtClassLoader ,并设定其 Parent 为 null ,代表其父加载器为 BootstrapLoader .然后 Bootstrap Loader 再要求加载 Launcher.java 之中的 AppClassLoader ,并设定其 Parent 为之前产生的 ExtClassLoader 实体。这两个加载器都是以静态类的形式存在的。这里要请大家注意的是, Launcher$ExtClassLoader.class 与 Launcher$AppClassLoader.class 都是由 Bootstrap Loader 所加载,所以 Parent 和由哪个类加载器加载没有关系。
这三个加载器就构成我们的 Java 类加载体系。他们分别从以下的路径寻找程序所需要的类:
BootstrapLoader : sun.boot.class.path
ExtClassLoader: java.ext.dirs
AppClassLoader: java.class.path
    这三个系统参量可以通过 System.getProperty() 函数得到具体对应的路径。大家可以自己编程实现查看具体的路径。
4.类加载工作流程:
  1)调用 findLoadedClass(String) 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。
  2)通过父类ClassLoader调用loadClass方法,如果父类ClassLoader是null,那么按缺省方式装入类,即系统ClassLoader。
  3)调用findClass(String)去查找类并获取类;
      a.检查远程 Web 站点,查看是否有所需要的类,如果存在则执行4)操作,如果不存在,执行b 操作。
      b.调用 findSystemClass 查看是否从本地文件系统获取类,如果还是没有,则返回 ClassNotFoundException。
  4)如果已有原始字节,调用 defineClass 将它们转换成 Class 对象。
如果loadClass 的 resolve 参数的值为true,那么调用 resolveClass 解析 Class 对象.
  5)如果还没有类,返回 ClassNotFoundException。
  6)否则,将类返回给调用程序。
5.类加载器方法解读:
方法 loadClass
ClassLoader.loadClass() 是 ClassLoader 的入口点。其特征如下:
Class loadClass( String name, boolean resolve );
name 参数指定了 JVM 需要的类的名称,该名称以包表示法表示,如 Foo 或 java.lang.Object。 resolve 参数告诉方法是否需要解析类。在准备执行类之前,应考虑类解析。并不总是需要解析。如果 JVM 只需要知道该类是否存在或找出该类的超类,那么就不需要解析。
在 Java 版本 1.1 和以前的版本中,loadClass 方法是创建定制的 ClassLoader 时唯一需要覆盖的方法。(Java 2 中 ClassLoader 的变动提供了关于 Java 1.2 中 findClass() 方法的信息。)
方法 defineClass
defineClass 方法是 ClassLoader 的主要诀窍。该方法接受由原始字节组成的数组并把它转换成 Class 对象。原始数组包含如从文件系统或网络装入的数据。
defineClass 管理 JVM 的许多复杂、神秘和倚赖于实现的方面 -- 它把字节码分析成运行时数据结构、校验有效性等等。不必担心,您无需亲自编写它。事实上,即使您想要这么做也不能覆盖它,因为它已被标记成最终的。
方法 findSystemClass
findSystemClass 方法从本地文件系统装入文件。它在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。当运行 Java 应用程序时,这是 JVM 正常装入类的缺省机制。(Java 2 中 ClassLoader 的变动提供了关于 Java 版本 1.2 这个过程变动的详细信息。)
对于定制的 ClassLoader,只有在尝试其它方法装入类之后,再使用 findSystemClass。原因很简单:ClassLoader 是负责执行装入类的特殊步骤,不是负责所有类。例如,即使 ClassLoader 从远程的 Web 站点装入了某些类,仍然需要在本地机器上装入大量的基本 Java 库。而这些类不是我们所关心的,所以要 JVM 以缺省方式装入它们:从本地文件系统。这就是 findSystemClass 的用途。
在大多数定制 ClassLoaders 中,首先调用 findSystemClass 以节省在本地就可以装入的许多 Java 库类而要在远程 Web 站点上查找所花的时间。然而,正如,在下一章节所看到的,直到确信能自动编译我们的应用程序代码时,才让 JVM 从本地文件系统装入类。
方法 resolveClass
正如前面所提到的,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。
方法 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。应首先调用该方法。
 getSystemClassLoader: 如果覆盖 findClass 或 loadClass,getSystemClassLoader 使您能以实际 ClassLoader 对象来访问系统 ClassLoader(而不是固定的从 findSystemClass 调用它)。
  getParent:为了将类请求委托给父代 ClassLoader,这个新方法允许 ClassLoader 获取它的父代 ClassLoader。当使用特殊方法,定制的 ClassLoader 不能找到类时,可以使用这种方法。
6、一个实现了ClassLoader的例子:
import java.io.*;
public class CompilingClassLoader extends ClassLoader{
//读取一个文件的内容
private byte[] getBytes(String filename) throws IOException{
 File file=new File(filename);
 long len=file.length();
 byte[] raw=new byte[(int)len];
 FileInputStream fin=new FileInputStream(file);
 int r=fin.read(raw);
 if(r!=len) throw new IOException("Can't read all,"+r+"!="+len);
 fin.close();
 return raw;
}
private boolean compile(String javaFile) throws IOException{
 System.out.println("CCL:Compiling "+javaFile+"...");
 //调用系统的javac命令
 Process p=Runtime.getRuntime().exec("javac "+javaFile);
 try{
  //其他线程都等待这个线程完成
  p.waitFor();
 }catch(InterruptedException ie){
  System.out.println(ie);
 }
 int ret=p.exitValue();
 return ret==0;
}
public Class loadClass(String name,boolean resovle) throws ClassNotFoundException{
 Class clas=null;
 clas=findLoadedClass(name);
 //这里说明了包的表示
 String fileStub=name.replace('.','/');
 String javaFilename=fileStub+".java";
 String classFilename=fileStub+".class";
 File javaFile=new File(javaFilename);
 File classFile=new File(classFilename);
 //如果存在class文件就不编译
 if(javaFile.exists()&&(!classFile.exists()||javaFile.lastModified()>classFile.lastModified())){
  try{
   if(!compile(javaFilename)||!classFile.exists()){
    throw new ClassNotFoundException("ClassNotFoundExcetpion:"+javaFilename);
   }
  }catch(IOException ie){
   throw new ClassNotFoundException(ie.toString());
  }
 }
 try{
  byte[] raw=getBytes(classFilename);
  //通过读入数据来构造一个类结构,这是核心
  clas=defineClass(name,raw,0,raw.length);
 }catch(IOException ie){
  //
 }
 if(clas==null){
  clas=findSystemClass(name);
 }
 System.out.println("findSystemClass:"+clas);
 if(resovle && clas!=null){
  resolveClass(clas);
 }
 if(clas==null){
  throw new ClassNotFoundException(name);
 }
 return clas;
}
}
测试该loader:
import java.lang.reflect.*;
public class TestRun{
 public static void main(String[] args) throws Exception{
  String progClass=args[0];
  String progArgs[]=new String[args.length-1];
  System.arraycopy(args,1,progArgs,0,progArgs.length);
  CompilingClassLoader ccl=new CompilingClassLoader();
  Class clas=ccl.loadClass(progClass);
  //返回一个class的type
  Class[] mainArgType={(new String[0]).getClass()};
  Method main=clas.getMethod("main",mainArgType);
  Object argsArray[]={progArgs};
  main.invoke(null,argsArray);
 }
}
  以上的核心内容已经编写完了,编译后,我们得到两个文件:
CompilingClassLoader.class,TestRun.class
  四、编写一个例子,然后运行我们的ClassLoader
/**
*Hello.java
*/
public class Hello{
 public static void main(String[] args){
  if(args.length!=1){
   System.err.println("Error,exit!");
   System.exit(1);
  }
  String name=args[0];
  System.out.println("Hello,"+name);
 }

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