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    慘淡人生,平淡生活

    The Feature Is Stupid

    ClassLoader的幾個概念、類和對象的解釋

    首先,轉載一篇文章,個人認為是看到過了講得最清楚的 XD
     

    當JVM(Java虛擬機)啟動時,會形成由三個類加載器組成的初始類加載器層次結構:

            bootstrap classloader
                     |
            extension classloader
                     |
            system classloader

    bootstrap classloader - 引導(也稱為原始)類加載器,它負責加載Java的核心類。在Sun的JVM中,在執(zhí)行java的命令中使用-Xbootclasspath選項或使用 -D選項指定sun.boot.class.path系統(tǒng)屬性值可以指定附加的類。這個加載器的是非常特殊的,它實際上不是 java.lang.ClassLoader的子類,而是由JVM自身實現(xiàn)的。大家可以通過執(zhí)行以下代碼來獲得bootstrap classloader加載了那些核心類庫:
        URL[] urls=sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        
    for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
          System.out.println(urls.toExternalForm());
        }

    在我的計算機上的結果為:
    file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/dom.jar
    file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/sax.jar
    file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xalan-2.3.1.jar
    file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xercesImpl-2.0.0.jar
    file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xml-apis.jar
    file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xsltc.jar
    file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/rt.jar
    file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/i18n.jar
    file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/sunrsasign.jar
    file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/jsse.jar
    file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/jce.jar
    file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/charsets.jar
    file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/classes
    這時大家知道了為什么我們不需要在系統(tǒng)屬性CLASSPATH中指定這些類庫了吧,因為JVM在啟動的時候就自動加載它們了。

    extension classloader - 擴展類加載器,它負責加載JRE的擴展目錄(JAVA_HOME/jre/lib/ext或者由java.ext.dirs系統(tǒng)屬性指定的)中JAR的類 包。這為引入除Java核心類以外的新功能提供了一個標準機制。因為默認的擴展目錄對所有從同一個JRE中啟動的JVM都是通用的,所以放入這個目錄的 JAR類包對所有的JVM和system classloader都是可見的。在這個實例上調用方法getParent()總是返回空值null,因為引導加載器bootstrap classloader不是一個真正的ClassLoader實例。所以當大家執(zhí)行以下代碼時:

        System.out.println(System.getProperty(
    "java.ext.dirs"));
        ClassLoader extensionClassloader
    =ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
        System.out.println(
    "the parent of extension classloader : "+extensionClassloader.getParent());

    結果為:
    C:"j2sdk1.4.1_01"jre"lib"ext
    the parent of extension classloader : null
    extension classloader是system classloader的parent,而bootstrap classloader是extension classloader的parent,但它不是一個實際的classloader,所以為null。

    system classloader - 系統(tǒng)(也稱為應用)類加載器,它負責在JVM被啟動時,加載來自在命令java中的-classpath或者java.class.path系統(tǒng)屬性或者 CLASSPATH操作系統(tǒng)屬性所指定的JAR類包和類路徑。總能通過靜態(tài)方法ClassLoader.getSystemClassLoader()找 到該類加載器。如果沒有特別指定,則用戶自定義的任何類加載器都將該類加載器作為它的父加載器。執(zhí)行以下代碼即可獲得:
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
    輸出結果則為用戶在系統(tǒng)屬性里面設置的CLASSPATH。
    classloader 加載類用的是全盤負責委托機制。所謂全盤負責,即是當一個classloader加載一個Class的時候,這個Class所依賴的和引用的所有 Class也由這個classloader負責載入,除非是顯式的使用另外一個classloader載入;委托機制則是先讓parent(父)類加載器 (而不是super,它與parent classloader類不是繼承關系)尋找,只有在parent找不到的時候才從自己的類路徑中去尋找。此外類加載還采用了cache機制,也就是如果 cache中保存了這個Class就直接返回它,如果沒有才從文件中讀取和轉換成Class,并存入cache,這就是為什么我們修改了Class但是必 須重新啟動JVM才能生效的原因。


    每個ClassLoader加載Class的過程是:
    1.檢測此Class是否載入過(即在cache中是否有此Class),如果有到8,如果沒有到2
    2.如果parent classloader不存在(沒有parent,那parent一定是bootstrap classloader了),到4
    3.請求parent classloader載入,如果成功到8,不成功到5
    4.請求jvm從bootstrap classloader中載入,如果成功到8
    5.尋找Class文件(從與此classloader相關的類路徑中尋找)。如果找不到則到7.
    6.從文件中載入Class,到8.
    7.拋出ClassNotFoundException.
    8.返回Class.

    其中5.6步我們可以通過覆蓋ClassLoader的findClass方法來實現(xiàn)自己的載入策略。甚至覆蓋loadClass方法來實現(xiàn)自己的載入過程。

    類加載器的順序是:
    先 是bootstrap classloader,然后是extension classloader,最后才是system classloader。大家會發(fā)現(xiàn)加載的Class越是重要的越在靠前面。這樣做的原因是出于安全性的考慮,試想如果system classloader“親自”加載了一個具有破壞性的“java.lang.System”類的后果吧。這種委托機制保證了用戶即使具有一個這樣的類, 也把它加入到了類路徑中,但是它永遠不會被載入,因為這個類總是由bootstrap classloader來加載的。大家可以執(zhí)行一下以下的代碼:
        System.out.println(System.class.getClassLoader());
    將會看到結果是null,這就表明java.lang.System是由bootstrap classloader加載的,因為bootstrap classloader不是一個真正的ClassLoader實例,而是由JVM實現(xiàn)的,正如前面已經說過的。

    下面就讓我們來看看JVM是如何來為我們來建立類加載器的結構的:
    sun.misc.Launcher,顧名思義,當你執(zhí)行java命令的時候,JVM會先使用bootstrap classloader載入并初始化一個Launcher,執(zhí)行下來代碼:
       System.out.println("the Launcher's classloader is "+sun.misc.Launcher.getLauncher().getClass().getClassLoader());
    結果為:
       the Launcher's classloader is null (因為是用bootstrap classloader加載,所以class loader為null)
    Launcher 會根據(jù)系統(tǒng)和命令設定初始化好class loader結構,JVM就用它來獲得extension classloader和system classloader,并載入所有的需要載入的Class,最后執(zhí)行java命令指定的帶有靜態(tài)的main方法的Class。extension classloader實際上是sun.misc.Launcher$ExtClassLoader類的一個實例,system classloader實際上是sun.misc.Launcher$AppClassLoader類的一個實例。并且都是 java.net.URLClassLoader的子類。

    讓我們來看看Launcher初試化的過程的部分代碼。

    Launcher的部分代碼:
     1 public class Launcher  {
     2     public Launcher() {
     3         ExtClassLoader extclassloader;
     4         try {
     5             //初始化extension classloader
     6             extclassloader = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
     7         } catch(IOException ioexception) {
     8             throw new InternalError("Could not create extension class loader");
     9         }
    10         try {
    11             //初始化system classloader,parent是extension classloader
    12             loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extclassloader);
    13         } catch(IOException ioexception1) {
    14             throw new InternalError("Could not create application class loader");
    15         }
    16         //將system classloader設置成當前線程的context classloader(將在后面加以介紹)
    17         Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
    18         
    19     }
    20     public ClassLoader getClassLoader() {
    21         //返回system classloader
    22         return loader;
    23     }
    24 }
    25 

    extension classloader的部分代碼:
     1 static class Launcher$ExtClassLoader extends URLClassLoader {
     2 
     3     public static Launcher$ExtClassLoader getExtClassLoader()
     4         throws IOException
     5     {
     6         File afile[] = getExtDirs();
     7         return (Launcher$ExtClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$1(afile));
     8     }
     9    private static File[] getExtDirs() {
    10         //獲得系統(tǒng)屬性“java.ext.dirs”
    11         String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
    12         File afile[];
    13         if(s != null) {
    14             StringTokenizer stringtokenizer = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
    15             int i = stringtokenizer.countTokens();
    16             afile = new File;
    17             for(int j = 0; j < i; j++)
    18                 afile[j] = new File(stringtokenizer.nextToken());
    19 
    20         } else {
    21             afile = new File[0];
    22         }
    23         return afile;
    24     }
    25 }


    system classloader的部分代碼:
     1 static class Launcher$AppClassLoader extends URLClassLoader
     2 {
     3 
     4     public static ClassLoader getAppClassLoader(ClassLoader classloader)
     5         throws IOException
     6     {
     7         //獲得系統(tǒng)屬性“java.class.path”
     8         String s = System.getProperty("java.class.path");
     9         File afile[] = s != null ? Launcher.access$200(s) : new File[0];
    10         return (Launcher$AppClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$2(s, afile, classloader));
    11     }
    12 }


    看 了源代碼大家就清楚了吧,extension classloader是使用系統(tǒng)屬性“java.ext.dirs”設置類搜索路徑的,并且沒有parent。system classloader是使用系統(tǒng)屬性“java.class.path”設置類搜索路徑的,并且有一個parent classloader。Launcher初始化extension classloader,system classloader,并將system classloader設置成為context classloader,但是僅僅返回system classloader給JVM。

    這里怎么又出來一個context classloader呢?它有什么用呢?我們在建立一個線程Thread的時候,可以為這個線程通過setContextClassLoader方法來 指定一個合適的classloader作為這個線程的context classloader,當此線程運行的時候,我們可以通過getContextClassLoader方法來獲得此context classloader,就可以用它來載入我們所需要的Class。默認的是system classloader。利用這個特性,我們可以“打破”classloader委托機制了,父classloader可以獲得當前線程的context classloader,而這個context classloader可以是它的子classloader或者其他的classloader,那么父classloader就可以從其獲得所需的 Class,這就打破了只能向父classloader請求的限制了。這個機制可以滿足當我們的classpath是在運行時才確定,并由定制的 classloader加載的時候,由system classloader(即在jvm classpath中)加載的class可以通過context classloader獲得定制的classloader并加載入特定的class(通常是抽象類和接口,定制的classloader中是其實現(xiàn)),例 如web應用中的servlet就是用這種機制加載的.


    好了,現(xiàn)在我們了解了classloader的結構和工作原理,那么我們 如何實現(xiàn)在運行時的動態(tài)載入和更新呢?只要我們能夠動態(tài)改變類搜索路徑和清除classloader的cache中已經載入的Class就行了,有兩個方 案,一是我們繼承一個classloader,覆蓋loadclass方法,動態(tài)的尋找Class文件并使用defineClass方法來;另一個則非常 簡單實用,只要重新使用一個新的類搜索路徑來new一個classloader就行了,這樣即更新了類搜索路徑以便來載入新的Class,也重新生成了一 個空白的cache(當然,類搜索路徑不一定必須更改)。噢,太好了,我們幾乎不用做什么工作,java.netURLClassLoader正是一個符 合我們要求的classloader!我們可以直接使用或者繼承它就可以了!

    這是j2se1.4 API的doc中URLClassLoader的兩個構造器的描述:
    URLClassLoader(URL[] urls)
              Constructs a new URLClassLoader for the specified URLs using the default delegation parent ClassLoader.
    URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent)
              Constructs a new URLClassLoader for the given URLs.
    其中URL[] urls就是我們要設置的類搜索路徑,parent就是這個classloader的parent classloader,默認的是system classloader。


    好,現(xiàn)在我們能夠動態(tài)的載入Class了,這樣我們就可以利用newInstance方法來獲得一個Object。但我們如何將此Object造型呢?可以將此Object造型成它本身的Class嗎?

    首先讓我們來分析一下java源文件的編譯,運行吧!javac命令是調用“JAVA_HOME/lib/tools.jar”中的“com.sun.tools.javac.Main”的compile方法來編譯:

        
    public static int compile(String as[]);

        
    public static int compile(String as[], PrintWriter printwriter);

    返回0表示編譯成功,字符串數(shù)組as則是我們用javac命令編譯時的參數(shù),以空格劃分。例如:
    javac -classpath c:"foo"bar.jar;. -d c:" c:"Some.java
    則 字符串數(shù)組as為{"-classpath","c:""foo""bar.jar;.","-d","c:""","c:""Some.java"}, 如果帶有PrintWriter參數(shù),則會把編譯信息出到這個指定的printWriter中。默認的輸出是System.err。

    其中 Main是由JVM使用Launcher初始化的system classloader載入的,根據(jù)全盤負責原則,編譯器在解析這個java源文件時所發(fā)現(xiàn)的它所依賴和引用的所有Class也將由system classloader載入,如果system classloader不能載入某個Class時,編譯器將拋出一個“cannot resolve symbol”錯誤。

    所以首先編譯就通不過,也就是編譯器無法編譯一個引用了不在CLASSPATH中的未知Class的java源文件,而由于拼寫錯誤或者沒有把所需類庫放到CLASSPATH中,大家一定經常看到這個“cannot resolve symbol”這個編譯錯誤吧!

    其 次,就是我們把這個Class放到編譯路徑中,成功的進行了編譯,然后在運行的時候不把它放入到CLASSPATH中而利用我們自己的 classloader來動態(tài)載入這個Class,這時候也會出現(xiàn)“java.lang.NoClassDefFoundError”的違例,為什么呢?

    我 們再來分析一下,首先調用這個造型語句的可執(zhí)行的Class一定是由JVM使用Launcher初始化的system classloader載入的,根據(jù)全盤負責原則,當我們進行造型的時候,JVM也會使用system classloader來嘗試載入這個Class來對實例進行造型,自然在system classloader尋找不到這個Class時就會拋出“java.lang.NoClassDefFoundError”的違例。

    OK, 現(xiàn)在讓我們來總結一下,java文件的編譯和Class的載入執(zhí)行,都是使用Launcher初始化的system classloader作為類載入器的,我們無法動態(tài)的改變system classloader,更無法讓JVM使用我們自己的classloader來替換system classloader,根據(jù)全盤負責原則,就限制了編譯和運行時,我們無法直接顯式的使用一個system classloader尋找不到的Class,即我們只能使用Java核心類庫,擴展類庫和CLASSPATH中的類庫中的Class。

    還 不死心!再嘗試一下這種情況,我們把這個Class也放入到CLASSPATH中,讓system classloader能夠識別和載入。然后我們通過自己的classloader來從指定的class文件中載入這個Class(不能夠委托 parent載入,因為這樣會被system classloader從CLASSPATH中將其載入),然后實例化一個Object,并造型成這個Class,這樣JVM也識別這個Class(因為 system classloader能夠定位和載入這個Class從CLASSPATH中),載入的也不是CLASSPATH中的這個Class,而是從 CLASSPATH外動態(tài)載入的,這樣總行了吧!十分不幸的是,這時會出現(xiàn)“java.lang.ClassCastException”違例。

    為 什么呢?我們也來分析一下,不錯,我們雖然從CLASSPATH外使用我們自己的classloader動態(tài)載入了這個Class,但將它的實例造型的時 候是JVM會使用system classloader來再次載入這個Class,并嘗試將使用我們的自己的classloader載入的Class的一個實例造型為system classloader載入的這個Class(另外的一個)。大家發(fā)現(xiàn)什么問題了嗎?也就是我們嘗試將從一個classloader載入的Class的一 個實例造型為另外一個classloader載入的Class,雖然這兩個Class的名字一樣,甚至是從同一個class文件中載入。但不幸的是JVM 卻認為這個兩個Class是不同的,即JVM認為不同的classloader載入的相同的名字的Class(即使是從同一個class文件中載入的)是 不同的!這樣做的原因我想大概也是主要出于安全性考慮,這樣就保證所有的核心Java類都是system classloader載入的,我們無法用自己的classloader載入的相同名字的Class的實例來替換它們的實例。

    看到這里,聰明的讀者一定想到了該如何動態(tài)載入我們的Class,實例化,造型并調用了吧!

    那 就是利用面向對象的基本特性之一的多形性。我們把我們動態(tài)載入的Class的實例造型成它的一個system classloader所能識別的父類就行了!這是為什么呢?我們還是要再來分析一次。當我們用我們自己的classloader來動態(tài)載入這我們只要把 這個Class的時候,發(fā)現(xiàn)它有一個父類Class,在載入它之前JVM先會載入這個父類Class,這個父類Class是system classloader所能識別的,根據(jù)委托機制,它將由system classloader載入,然后我們的classloader再載入這個Class,創(chuàng)建一個實例,造型為這個父類Class,注意了,造型成這個父類 Class的時候(也就是上溯)是面向對象的java語言所允許的并且JVM也支持的,JVM就使用system classloader再次載入這個父類Class,然后將此實例造型為這個父類Class。大家可以從這個過程發(fā)現(xiàn)這個父類Class都是由 system classloader載入的,也就是同一個class loader載入的同一個Class,所以造型的時候不會出現(xiàn)任何異常。而根據(jù)多形性,調用這個父類的方法時,真正執(zhí)行的是這個Class(非父類 Class)的覆蓋了父類方法的方法。這些方法中也可以引用system classloader不能識別的Class,因為根據(jù)全盤負責原則,只要載入這個Class的classloader即我們自己定義的 classloader能夠定位和載入這些Class就行了。

    這樣我們就可以事先定義好一組接口或者基類并放入CLASSPATH中,然 后在執(zhí)行的時候動態(tài)的載入實現(xiàn)或者繼承了這些接口或基類的子類。還不明白嗎?讓我們來想一想Servlet吧,web application server能夠載入任何繼承了Servlet的Class并正確的執(zhí)行它們,不管它實際的Class是什么,就是都把它們實例化成為一個Servlet Class,然后執(zhí)行Servlet的init,doPost,doGet和destroy等方法的,而不管這個Servlet是從web- inf/lib和web-inf/classes下由system classloader的子classloader(即定制的classloader)動態(tài)載入。說了這么多希望大家都明白了。在applet,ejb等 容器中,都是采用了這種機制.

    對于以上各種情況,希望大家實際編寫一些example來實驗一下。

    最后我再說點別 的,classloader雖然稱為類加載器,但并不意味著只能用來加載Class,我們還可以利用它也獲得圖片,音頻文件等資源的URL,當然,這些資 源必須在CLASSPATH中的jar類庫中或目錄下。我們來看API的doc中關于ClassLoader的兩個尋找資源和Class的方法描述吧:
    public URL getResource(String name)
    用指定的名字來查找資源,一個資源是一些能夠被class代碼訪問的在某種程度上依賴于代碼位置的數(shù)據(jù)(圖片,音頻,文本等等)。
                    一個資源的名字是以'/'號分隔確定資源的路徑名的。
                    這個方法將先請求parent classloader搜索資源,如果沒有parent,則會在內置在虛擬機中的classloader(即bootstrap classloader)的路徑中搜索。如果失敗,這個方法將調用findResource(String)來尋找資源。
    public static URL getSystemResource(String name)
                    從用來載入類的搜索路徑中查找一個指定名字的資源。這個方法使用system class loader來定位資源。即相當于ClassLoader.getSystemClassLoader().getResource(name)。

    例如:
        System.out.println(ClassLoader.getSystemResource("java/lang/String.class"));
    的結果為:
        jar:file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/rt.jar!/java/lang/String.class
    表明String.class文件在rt.jar的java/lang目錄中。
    因此我們可以將圖片等資源隨同Class一同打包到jar類庫中(當然,也可單獨打包這些資源)并添加它們到class loader的搜索路徑中,我們就可以無需關心這些資源的具體位置,讓class loader來幫我們尋找了!

    以上是轉自bea論壇的一篇文章,作者不清楚,估計是bea內部的大牛。是值得俺們頂禮膜拜的神一般的存在 XD



    最后 附上自己的幾點理解

    bootstrap classloader  -------  對應jvm中某c++寫的dll類
    Extenson ClassLoader ---------對應內部類ExtClassLoader
    System ClassLoader  ---------對應內部類AppClassLoader
    Custom ClassLoader  ----------對應任何URLClassLoader的子類(你也可以繼承SecureClassLoader或者更加nb一點 直接繼承ClassLoader,這樣的話你也是神一般的存在了 XD)


    以上四種classloder按照從上到下的順序,依次為下一個的parent

    這個第一概念

    第二個概念是幾個有關的classloader的類

               抽象類 ClassLoader
                      |
                SecureClassLoader
                       |
                URLClassloader
                 |           |                
     sun的ExtClassLoader   sun的AppClassLoader
    以上的類之間是繼承關系,與第一個概念說的parent是兩回事情,需要小心。

    第三個概念是Thread的ContextClassLoader
    其實從Context的名稱就可以看出來,這只是一個用以存儲任何classloader引用的臨時存儲空間,與classloader的層次沒有任何關系。


    第四 就是如何實現(xiàn)自己的classloader了,本來是要翻譯另外一篇文章Find a way out of the ClassLoader maze
    不過今天時間都花在《小夫妻天天惡戰(zhàn)》這篇神文上了 XD 強烈推薦任何和俺一樣期望彪悍人生的朋友都去看看

    翻譯明天補上,浪費時間是可恥的 XD

    匿鳥,晚上還有朋友推薦的 《lie with me》(與我同眠)要看。XD


    posted on 2008-05-29 20:11 季失羽 閱讀(2258) 評論(1)  編輯  收藏

    評論

    # re: ClassLoader的幾個概念、類和對象的解釋 2008-05-30 08:21 麥田守望者

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