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Java Class Loader？

編輯：關於JAVA

1. ClassLoader

類加載器(class loader)用來加載 Java 類到 Java 虛擬機中。Java 源程序(.java 文件)在經過 Java 編譯器編譯之後就被轉換成 Java 字節代碼(.class 文件)。類加載器負責讀取 Java 字節代碼，並轉換成 Java.lang.Class 類的一個實例。

2. ClassLoader HIErarchy

JVM在加載類時，使用的是雙親委托模式(delegation model)，也就是說除了Bootstrap ClassLoader之外，每個ClassLoader都有一個Parent ClassLoader。ClassLoader是按需進行加載class文件。當ClassLoader試圖加載一個類時，首先檢查本地緩沖，查看類是否已被加載，如果類沒有被加載，嘗試委托給父ClassLoader進行加載，如果父ClassLoader加載失敗，才會由該ClassLoader進行加載，從而避免了重復加載的問題。一下為類裝載器層次圖：

Bootstrap ClassLoader：負責加載Java_home/lib目錄下的核心類或- Xbootclasspath指定目錄下的類。

Extension ClassLoader：負責加載java_home/lib/ext目錄下的擴展類或 -DJava.ext.dirs 指定目錄下的類。

System ClassLoader：負責加載-classpath/-DJava.class.path所指的目錄下的類。

如果類App1在本地緩沖中沒有class文件(沒有被加載)，那麼它會自底向上依次查找是否已經加載了類，如果已經加載，則直接返回該類實例的引用。如果BootstrapClassLoader也未成功加載該類，那麼會拋出異常，然後自頂向下依次嘗試加載，如果到App1 ClassLoader還沒有加載成功，那麼會拋出ClassNotFoundException異常給調用者。

Java代碼

public static void main(String[] args) {     
        ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();     
        while(cl != null){     
            System.out.println(cl);     
            System.out.println("parent class loader: " + cl.getParent());     
            cl = cl.getParent();     
        }     
    }

Java代碼

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f    
parent class loader: sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@addbf1    
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@addbf1    
parent class loader: null

我們看到，當前系統類裝載器為AppClassLoader,AppClassLoader的父類裝載器是ExtClassLoader，ExtClassLoader的父裝載器為null，表示為BootstrapClassLoader。BootstrapClassLoader由JVM采用本地代碼實現，因此沒有對應的Java類，所以ExtClassLoader的getParent()返回null。

ClassLoader的職責之一是保護系統名字空間。以下為ClassLoader類部分代碼：

Java代碼

private ProtectionDomain preDefineClass(String name,     
                        ProtectionDomain protectionDomain)     
    {     
    if (!checkName(name))     
        throw new NoClassDefFoundError("IllegalName: " + name);     
    
    if ((name != null) && name.startsWith("Java.")) {     
        throw new SecurityException("Prohibited package name: " +     
                    name.substring(0, name.lastIndexOf('.')));     
    }     
    if (protectionDomain == null) {     
        protectionDomain = getDefaultDomain();     
    }     
    
    if (name != null)     
        checkCerts(name, protectionDomain.getCodeSource());     
    
    return protectionDomain;     
    }

那麼，當我們定義如下類Foo，雖然能夠通過編譯，但是會報java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang異常，因為我們試圖將Foo類寫入到Java.lang包下。

Java代碼

package Java.lang;     
    
public class Foo {     
         
    public static void main(String args[]) throws Exception {     
        Foo f = new Foo();     
        System.out.println(f.toString());     
    }     
}

3. 定制ClassLoader

Java自帶的ClassLoader類的定義為：

Java代碼

public abstract class ClassLoader{      
}

啟動類加載器是JVM通過調用ClassLoader.loadClass()方法。

Java代碼

public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {     
    return loadClass(name, false);     
    }     
    
protected synchronized Class loadClass(String name, boolean resolve)     
    throws ClassNotFoundException     
    {     
    // First, check if the class has already been loaded     
    Class c = findLoadedClass(name);     
    if (c == null) {     
        try {     
        if (parent != null) {     
            c = parent.loadClass(name, false);     
        } else {     
            c = findBootstrapClass0(name);     
        }     
        } catch (ClassNotFoundException e) {     
            // If still not found, then invoke findClass in order     
            // to find the class.     
            c = findClass(name);     
        }     
    }     
    if (resolve) {     
        resolveClass(c);     
    }     
    return c;     
    }     
    
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {     
    throw new ClassNotFoundException(name);     
    }

loadClass(String name, boolean resolve)方法中的resolve如果為true,表示分析這個Class對象，包括檢查Class Loader是否已經初始化等。loadClass(String name) 在加載類之後不會對該類進行初始化，直到第一次使用該類時，才會對該類進行初始化。

那麼，我們在定制ClassLoader的時候，通常只需要覆寫findClass(String name)方法。在findClass(String name)方法內，我們可以通過文件、網絡(URL)等形式獲取字節碼。以下為獲取字節碼的方法:

Java代碼

public InputStream getResourceAsStream(String name);     
public URL getResource(String name);     
public InputStream getResourceAsStream(String name);     
public Enumeration getResources(String name) throws IOException;

在取得字節碼後，需要調用defineClass()方法將字節數組轉換成Class對象，該方法簽名如下：

Java代碼

protected final Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,     
                     ProtectionDomain protectionDomain)     
    throws ClassFormatError

對於相同的類，JVM最多會載入一次。如果同一個class文件被不同的ClassLoader載入(定義)，那麼載入後的兩個類是完全不同的。

Java代碼

public class Foo{     
    //     
    private static final AtomicInteger COUNTER = new AtomicInteger(0);     
    
    public Foo() {     
        System.out.println("counter: " + COUNTER.incrementAndGet());     
    }     
         
    public static void main(String args[]) throws Exception {     
        URL urls[] = new URL[]{new URL("file:/c:/")};     
        URLClassLoader ucl1 = new URLClassLoader(urls);     
        URLClassLoader ucl2 = new URLClassLoader(urls);     
        Class c1 = ucl1.loadClass("Foo");     
        Class c2 = ucl2.loadClass("Foo");     
        System.out.println(c1 == c2);     
        c1.newInstance();     
        c2.newInstance();     
    }     
}

以上程序需要保證Foo.class文件不在classpath路徑下。從而使AppClassLoader無法加載Foo.class。

輸出結果：

Java代碼

false    
counter: 1    
counter: 1

4. Web應用的ClassLoader

絕大多數的EJB容器，Servlet容器等都會提供定制的ClassLoader，來實現特定的功能。但是通常情況下，所有的servlet和filter使用一個ClassLoader。每個JSP都使用一個獨立的ClassLoader。

5. 隱式(implicit)和顯示(explicit)的加載

隱式加載：我們使用new關鍵字實例化一個類，就是隱身的加載了類。

顯示加載分為兩種：

Java.lang.Class的forName()方法;

Java.lang.ClassLoader的loadClass()方法。

Class.forName()方法有兩個重載的版本：

Java代碼

public static Class forName(String className)      
                throws ClassNotFoundException {     
        return forName0(className, true, ClassLoader.getCallerClassLoader());     
    }     
    
public static Class forName(String name, boolean initialize,     
                   ClassLoader loader)     
        throws ClassNotFoundException

可以看出，forName(String className)默認以true和ClassLoader.getCallerClassLoader()調用了三參數的重載方法。ClassLoader.getCallerClassLoader()表示以caller class loader加載類，並會初始化類(即靜態變量會被初始化，靜態初始化塊中的代碼也會被執行)。如果以false和ClassLoader.getCallerClassLoader()調用三參數的重載方法，表示加載後的類不會被初始化。

ClassLoader.loadClass()方法在類加載後，也同樣不會初始化類。

6. 兩個異常(exception)

NoClassDefFoundError: 當Java源文件已編譯成.class文件,但是ClassLoader在運行期間搜尋路徑load某個類時,沒有找到.class文件則拋出這個異常。

ClassNotFoundException: 試圖通過一個String變量來創建一個Class類時不成功則拋出這個異常