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计算机程序的思维逻辑 (87) - 类加载机制

本系列文章经补充和完善,已修订整理成书《Java编程的逻辑》(马俊昌著),由机械工业出版社华章分社出版,于2018年1月上市热销,读者好评如潮!各大网店和书店有售,欢迎购买:京东自营链接

上节,我们探讨了动态代理,在前几节中,我们多次提到了类加载器ClassLoader,本节就来详细讨论Java中的类加载机制与ClassLoader。

类加载器ClassLoader就是加载其他类的类,它负责将字节码文件加载到内存,创建Class对象。与之前介绍的反射注解、和动态代理一样,在大部分的应用编程中,我们不太需要自己实现ClassLoader。

不过,理解类加载的机制和过程,有助于我们更好的理解之前介绍的内容,更好的理解Java。在反射一节,我们介绍过Class的静态方法Class.forName,理解类加载器有助于我们更好的理解该方法。

ClassLoader一般是系统提供的,不需要自己实现,不过,通过创建自定义的ClassLoader,可以实现一些强大灵活的功能,比如:

  • 热部署,在不重启Java程序的情况下,动态替换类的实现,比如Java Web开发中的JSP技术就利用自定义的ClassLoader实现修改JSP代码即生效,OSGI (Open Service Gateway Initiative)框架使用自定义ClassLoader实现动态更新。
  • 应用的模块化和相互隔离,不同的ClassLoader可以加载相同的类但互相隔离、互不影响。Web应用服务器如Tomcat利用这一点在一个程序中管理多个Web应用程序,每个Web应用使用自己的ClassLoader,这些Web应用互不干扰。OSGI利用这一点实现了一个动态模块化架构,每个模块有自己的ClassLoader,不同模块可以互不干扰。
  • 从不同地方灵活加载,系统默认的ClassLoader一般从本地的.class文件或jar文件中加载字节码文件,通过自定义的ClassLoader,我们可以从共享的Web服务器、数据库、缓存服务器等其他地方加载字节码文件。

理解自定义ClassLoader有助于我们理解这些系统程序和框架,如Tomat, JSP, OSGI,在业务需要的时候,也可以借助自定义ClassLoader实现动态灵活的功能。

下面,我们首先来进一步理解Java加载类的过程,理解类ClassLoader和Class.forName,介绍一个简单的应用,然后我们探讨如何实现自定义ClassLoader,演示如何利用它实现热部署。

类加载的基本机制和过程

运行Java程序,就是执行java这个命令,指定包含main方法的完整类名,以及一个classpath,即类路径。类路径可以有多个,对于直接的class文件,路径是class文件的根目录,对于jar包,路径是jar包的完整名称(包括路径和jar包名)。

Java运行时,会根据类的完全限定名寻找并加载类,寻找的方式基本就是在系统类和指定的类路径中寻找,如果是class文件的根目录,则直接查看是否有对应的子目录及文件,如果是jar文件,则首先在内存中解压文件,然后再查看是否有对应的类。

负责加载类的类就是类加载器,它的输入是完全限定的类名,输出是Class对象。类加载器不是只有一个,一般程序运行时,都会有三个:

  • 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):这个加载器是Java虚拟机实现的一部分,不是Java语言实现的,一般是C++实现的,它负责加载Java的基础类,主要是<JAVA_HOME>/lib/rt.jar,我们日常用的Java类库比如String, ArrayList等都位于该包内。
  • 扩展类加载器(Extension ClassLoader):这个加载器的实现类是sun.misc.Launcher$ExtClassLoader,它负责加载Java的一些扩展类,一般是<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的jar包。
  • 应用程序类加载器(Application ClassLoader):这个加载器的实现类是sun.misc.Launcher$AppClassLoader,它负责加载应用程序的类,包括自己写的和引入的第三方法类库,即所有在类路径中指定的类。

这三个类加载器有一定的关系,可以认为是父子关系,Application ClassLoader的父亲是Extension ClassLoader,Extension的父亲是Bootstrap ClassLoader,注意不是父子继承关系,而是父子委派关系,子ClassLoader有一个变量parent指向父ClassLoader,在子ClassLoader加载类时,一般会首先通过父ClassLoader加载,具体来说,在加载一个类时,基本过程是:

  1. 判断是否已经加载过了,加载过了,直接返回Class对象,一个类只会被一个ClassLoader加载一次。
  2. 如果没有被加载,先让父ClassLoader去加载,如果加载成功,返回得到的Class对象。
  3. 在父ClassLoader没有加载成功的前提下,自己尝试加载类。

这个过程一般被称为"双亲委派"模型,即优先让父ClassLoader去加载。为什么要先让父ClassLoader去加载呢?这样,可以避免Java类库被覆盖的问题,比如用户程序也定义了一个类java.lang.String,通过双亲委派,java.lang.String只会被Bootstrap ClassLoader加载,避免自定义的String覆盖Java类库的定义。

需要了解的是,"双亲委派"虽然是一般模型,但也有一些例外,比如:

  • 自定义的加载顺序:尽管不被建议,自定义的ClassLoader可以不遵从"双亲委派"这个约定,不过,即使不遵从,以"java"开头的类也不能被自定义类加载器加载,这是由Java的安全机制保证的,以避免混乱。
  • 网状加载顺序:在OSGI框架中,类加载器之间的关系是一个网,每个OSGI模块有一个类加载器,不同模块之间可能有依赖关系,在一个模块加载一个类时,可能是从自己模块加载,也可能是委派给其他模块的类加载器加载。
  • 父加载器委派给子加载器加载:典型的例子有JNDI服务(Java Naming and Directory Interface),它是Java企业级应用中的一项服务,具体我们就不介绍了。

一个程序运行时,会创建一个Application ClassLoader,在程序中用到ClassLoader的地方,如果没有指定,一般用的都是这个ClassLoader,所以,这个ClassLoader也被称为系统类加载器(System ClassLoader)。

下面,我们来具体看下表示类加载器的类 - ClassLoader。

理解ClassLoader

基本用法

类ClassLoader是一个抽象类,Application ClassLoader和Extension ClassLoader的具体实现类分别是sun.misc.LauncherAppClassLoader和sun.misc.LauncherExtClassLoader,Bootstrap ClassLoader不是由Java实现的,没有对应的类。

每个Class对象都有一个方法,可以获取实际加载它的ClassLoader,方法是:

public ClassLoader getClassLoader()
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ClassLoader有一个方法,可以获取它的父ClassLoader:

public final ClassLoader getParent()
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如果ClassLoader是Bootstrap ClassLoader,返回值为null。

比如:

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());
    }
}
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输出为:

sun.misc.Launcher$AppClassLoader
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
null
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ClassLoader有一个静态方法,可以获取默认的系统类加载器:

public static ClassLoader getSystemClassLoader()
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ClassLoader中有一个主要方法,用于加载类:

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException
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比如:

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();
}    
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需要说明的是,由于委派机制,Class的getClassLoader()方法返回的不一定是调用loadClass的ClassLoader,比如,上面代码中,java.util.ArrayList实际由BootStrap ClassLoader加载,所以返回值就是null。

ClassLoader vs Class.forName

在反射一节,我们介绍过Class的两个静态方法forName:

public static Class<?> forName(String className)
public static Class<?> forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader)
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第一个方法使用系统类加载器加载,第二个指定ClassLoader,参数initialize表示,加载后,是否执行类的初始化代码(如static语句块),没有指定默认为true。

ClassLoader的loadClass方法与forName方法都可以加载类,它们有什么不同呢?基本是一样的,不过,有一个不同,ClassLoader的loadClass不会执行类的初始化代码,看个例子:

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();
        }
    }
}
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使用ClassLoader加载静态内部类Hello,Hello有一个static语句块,输出"hello",运行该程序,类被加载了,但没有任何输出,即static语句块没有被执行。如果将loadClass的语句换为:

Class<?> cls = Class.forName(className);
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则static语句块会被执行,屏幕将输出"hello"。

实现代码

我们来看下ClassLoader的loadClass代码,以进一步理解其行为:

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    return loadClass(name, false);
}
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它调用了另一个loadClass方法,其主要代码为(省略了一些代码,加了注释,以便于理解):

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 首先,检查类是否已经被加载了
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            //没被加载,先委派父ClassLoader或BootStrap ClassLoader去加载
            try {
                if (parent != null) {
                    //委派父ClassLoader,resolve参数固定为false
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                //没找到,捕获异常,以便尝试自己加载                
            }
            if (c == null) {
                // 自己去加载,findClass才是当前ClassLoader的真正加载方法
                c = findClass(name);
            }
        }
        if (resolve) {
            // 链接,执行static语句块
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}
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参数resolve类似Class.forName中的参数initialize,可以看出,其默认值为false,即使通过自定义ClassLoader重写loadClass,设置resolve为true,它调用父ClassLoader的时候,传递的也是固定的false。

findClass是一个protected方法,类ClassLoader的默认实现就是抛出ClassNotFoundException,子类应该重写该方法,实现自己的加载逻辑,后文我们会看个具体例子。

类加载应用 - 可配置的策略

可以通过ClassLoader的loadClass或Class.forName自己加载类,但什么情况需要自己加载类呢?

很多应用使用面向接口的编程,接口具体的实现类可能有很多,适用于不同的场合,具体使用哪个实现类在配置文件中配置,通过更改配置,不用改变代码,就可以改变程序的行为,在设计模式中,这是一种策略模式,我们看个简单的示例。

定义一个服务接口IService:

public interface IService {
    public void action();
}
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客户端通过该接口访问其方法,怎么获得IService实例呢?查看配置文件,根据配置的实现类,自己加载,使用反射创建实例对象,示例代码为:

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();
    }
}
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config.properties的内容示例为:

service=shuo.laoma.dynamic.c87.ServiceB
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代码比较简单,就不赘述了。

自定义ClassLoader

基本用法

Java类加载机制的强大之处在于,我们可以创建自定义的ClassLoader,自定义ClassLoader是Tomcat实现应用隔离、支持JSP,OSGI实现动态模块化的基础。

怎么自定义呢?一般而言,继承类ClassLoader,重写findClass就可以了。怎么实现findClass呢?使用自己的逻辑寻找class文件字节码的字节形式,找到后,使用如下方法转换为Class对象:

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
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name表示类名,b是存放字节码数据的字节数组,有效数据从off开始,长度为len。

看个例子:

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);
        }
    }
}
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MyClassLoader从BASE_DIR下的路径中加载类,它使用了我们在57节介绍的BinaryFileUtils读取文件,转换为byte数组。MyClassLoader没有指定父ClassLoader,默认是系统类加载器,即ClassLoader.getSystemClassLoader()的返回值,不过,ClassLoader有一个可重写的构造方法,可以指定父ClassLoader:

protected ClassLoader(ClassLoader parent) 
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用途

MyClassLoader有什么用呢?将BASE_DIR加到classpath中不就行了,确实可以,这里主要是演示基本用法,实际中,可以从Web服务器、数据库或缓存服务器获取bytes数组,这就不是系统类加载器能做到的了。

不过,不把BASE_DIR放到classpath中,而是使用MyClassLoader加载,确实有一个很大的好处,可以创建多个MyClassLoader,对同一个类,每个MyClassLoader都可以加载一次,得到同一个类的不同Class对象,比如:

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");
}
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cl1和cl2是两个不同的ClassLoader,class1和class2对应的类名一样,但它们是不同的对象。

这到底有什么用呢?

  • 可以实现隔离,一个复杂的程序,内部可能按模块组织,不同模块可能使用同一个类,但使用的是不同版本,如果使用同一个类加载器,它们是无法共存的,不同模块使用不同的类加载器就可以实现隔离,Tomcat使用它隔离不同的Web应用,OSGI使用它隔离不同模块。
  • 可以实现热部署,使用同一个ClassLoader,类只会被加载一次,加载后,即使class文件已经变了,再次加载,得到的也还是原来的Class对象,而使用MyClassLoader,则可以先创建一个新的ClassLoader,再用它加载Class,得到的Class对象就是新的,从而实现动态更新。

下面,我们来具体看热部署的示例。

自定义ClassLoader的应用 - 热部署

所谓热部署,就是在不重启应用的情况下,当类的定义,即字节码文件修改后,能够替换该Class创建的对象,怎么做到这一点呢?我们利用MyClassLoader,看个简单的示例。

我们使用面向接口的编程,定义一个接口IHelloService:

public interface IHelloService {
    public void sayHello();
}
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实现类是shuo.laoma.dynamic.c87.HelloImpl,class文件放到MyClassLoader的加载目录中。

演示类是HotDeployDemo,它定义了以下静态变量:

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;
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CLASS_NAME表示实现类名称,FILE_NAME是具体的class文件路径,helloService是IHelloService实例。

CLASS_NAME代表的类字节码改变后,我们希望重新创建helloService,反映最新的代码,怎么做呢?先看用户端获取IHelloService的方法:

public static IHelloService getHelloService() {
    if (helloService != null) {
        return helloService;
    }
    synchronized (HotDeployDemo.class) {
        if (helloService == null) {
            helloService = createHelloService();
        }
        return helloService;
    }
}
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这是一个单例模式,createHelloService()的代码为:

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;
}
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它使用MyClassLoader加载类,并利用反射创建实例,它假定实现类有一个public无参构造方法。

在调用IHelloService的方法时,客户端总是先通过getHelloService获取实例对象,我们模拟一个客户端线程,它不停的获取IHelloService对象,并调用其方法,然后睡眠1秒钟,其代码为:

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();
}
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怎么知道类的class文件发生了变化,并重新创建helloService对象呢?我们使用一个单独的线程模拟这一过程,代码为:

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();
}
复制代码

我们使用文件的最后修改时间来跟踪文件是否发生了变化,当文件修改后,调用reloadHelloService()来重新加载,其代码为:

public static void reloadHelloService() {
    helloService = createHelloService();
}
复制代码

就是利用MyClassLoader重新创建HelloService,创建后,赋值给helloService,这样,下次getHelloService()获取到的就是最新的了。

在主程序中启动client和monitor线程,代码为:

public static void main(String[] args) {
    monitor();
    client();
}
复制代码

在运行过程中,替换HelloImpl.class,可以看到行为会变化,为便于演示,我们在data/c87/shuo/laoma/dynamic/c87/目录下准备了两个不同的实现类HelloImpl_origin.classHelloImpl_revised.class,在运行过程中替换,会看到输出不一样,如下图所示:

使用cp命令修改HelloImpl.class,如果其内容与HelloImpl_origin.class一样,输出为"hello",如果与HelloImpl_revised.class一样,输出为"hello revised"。

完整的代码和数据在github上,文末有链接。

小结

本节探讨了Java中的类加载机制,包括Java加载类的基本过程,类ClassLoader的用法,以及如何创建自定义的ClassLoader,探讨了两个简单应用示例,一个通过动态加载实现可配置的策略,另一个通过自定义ClassLoader实现热部署。

84节到本节,我们探讨了Java中的多个动态特性,包括反射、注解、动态代理和类加载器,作为应用程序员,大部分用的都比较少,用的较多的就是使用框架和库提供的各种注解了,但这些特性大量应用于各种系统程序、框架、和库中,理解这些特性有助于我们更好的理解它们,也可以在需要的时候自己实现动态、通用、灵活的功能。

注解一节,我们提到,注解是一种声明式编程风格,它提高了Java语言的表达能力,日常编程中一种常见的需求是文本处理,在计算机科学中,有一种技术大大提高了文本处理的表达能力,那就是正则表达式,大部分编程语言都有对它的支持,它有什么强大功能呢?

(与其他章节一样,本节所有代码位于 github.com/swiftma/pro…,位于包shuo.laoma.dynamic.c87下)


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