深入理解Java ClassLoader及在 JavaAgent 中的应用

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背景

众所周知, Java 或者其他运行在 JVM(java 虚拟机)上面的程序都需要最终便以为字节码,然后被 JVM加载运行,那么这个加载到虚拟机的过程就是 classloader 类加载器所干的事情.直白一点,就是 通过一个类的全限定类名称来获取描述此类的二进制字节流 的过程.

双亲委派模型

说到 Java 的类加载器,必不可少的就是它的双亲委派模型,从 Java 虚拟机的角度来看,只存在两种不同的类加载器:

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader), 由 C++语言实现,是虚拟机自身的一部分.
其他的类加载器,都是由 Java 实现,在虚拟机的外部,并且全部继承自java.lang.ClassLoader

在 Java 内部,绝大部分的程序都会使用 Java 内部提供的默认加载器.

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)

负责将$JAVA_HOME/lib或者 -Xbootclasspath 参数指定路径下面的文件(按照文件名识别,如 rt.jar) 加载到虚拟机内存中.启动类加载器无法直接被 java 代码引用,如果需要把加载请求委派给启动类加载器,直接返回null即可.

扩展类加载器(Extension ClassLoader)

负责加载$JAVA_HOME/lib/ext 目录中的文件,或者java.ext.dirs 系统变量所指定的路径的类库.

应用程序类加载器(Application ClassLoader)

一般是系统的默认加载器,比如用 main 方法启动就是用此类加载器,也就是说如果没有自定义过类加载器,同时它也是getSystemClassLoader() 的返回值.

这几种类加载器的工作流程被抽象成一个模型,就是双亲委派模型.

工作流程:

收到类加载的请求
首先不会自己尝试加载此类,而是委托给父类的加载器去完成.
如果父类加载器没有,继续寻找父类加载器.
搜索了一圈,发现都找不到,然后才是自己尝试加载此类.

这基本就是双亲委派模型.

但是这种模型只是一种推荐的方式,并不是强制的,你也可以尝试打破这种规则.
自所以这样约定,还是有一定的好处的, Java 类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系.
比如自己定义了java.lang.Object 对象,那么按照上面的流程,他永远都是被启动类加载器加载的rt.jar 中的那个类,而不是自己定义的这个类,这样就保证了兄运行的稳定,否则,可能变得非常混乱,可以随意改写任何类.

在 JavaAgent 中的应用

大多数情况下,其实我们并不需要知道这些,因为你的程序也会运行的非常正常,虽然像Tomcat,Spring Boot 都有自己定义的类加载器,但是我们在不用关心的情况下也会运行的好好地.

那么类加载器可以被运行在哪些地方呢?

从远程(或者文件)加载类,有时候需要加载的类可能并不是在当前的 classpath, 可能需要自己定义类加载器去加载.
自己想实现一个JavaAgent来增强字节码的时候.

JavaAgent 的使用后续文章补上.先上一张图.

顶层是应用代码实际运行的 ClassLoader, 可能是Application ClassLoader, 也有可能是 tomcat 的webapp ClassLoader 或者其他容器自定义的类加载器,总是是真实的用户编写的代码运行的 classloader.
我们如果要在javaagent中增强用户或者用户使用的包进行增强的话,必须实现一个自定义的 classloader 来"继承"(委派)应用代码的类加载器.为什么?
javaagent 的代码永远都是被应用类加载器( Application ClassLoader)所加载,和应用代码的真实加载器无关,举个栗子,当前运行在 tomcat 中的代码是webapp ClassLoader 加载的,如果启动参数加上-javaagent, 这个 javaagent 还是在Application ClassLoader中加载的.
按照上面的双亲委派模型,如果我们在 javaagent 中想要访问应用里面的 api 包或者类,这是不可能的,因为按照双亲委派模型,通俗来说就是,子加载器可以访问父加载器中的类,但是反过来就行不通.

那么这个时候有没有办法能够做到呢?

我们可以自定义自己的类加载器继承应用代码类加载器(可以在 javaagent 中完成, javaagent 每加载一个类,就会回调传回真实的类加载器),然后我们在Application ClassLoader 中用自定义的类加载器去加载子类,并创建好实例(newInstance()), 将实例的引用保存在变量中.
真实运行的时候,就会通过这个变量,去访问我们自定义加载器的内容,又由于我们的自定义类加载器是继承自应用代码的类加载器的,所以自定义类加载器中的代码可以访问应用的代码.

总结一句就是,父类加载器无法加载子类加载器的类,但是可以持有子类加载器所加载类的实例,从而实现父类加载器的代码可以调用子类加载器的代码的形式

貌似比较抽象,后面会补上详细的例子供参考.

例子

针对上面的情形,我们定义一个例子,可以详细解释 ClassLoader 的加载使用,

假如我们有如下的 ClassLoader,FooClassLoader:

package com.example.test;import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;/*** @author lican*/
public class FooClassLoader extends ClassLoader {private static final String NAME = "/Users/lican/git/test/foo/";@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {Class<?> loadedClass = findLoadedClass(name);if (loadedClass == null) {String s = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";File file = new File(NAME + s);try (FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(file)) {byte[] b = new byte[fileInputStream.available()];fileInputStream.read(b);return defineClass(name, b, 0, b.length);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}return loadedClass;}}

被加载的类定义,然后我们将这个类放到不是源代码的路径比如我放到
/Users/lican/git/test/foo/这里的,主要是方便测试.


package com.example.test;public class FooTest {public String getFoo() {return "foo";}
}

然后测试程序为:

package com.example.test;import java.lang.reflect.Method;/*** @author lican*/
public class ClassLoaderTest {private Object fooTestInstance;private FooClassLoader fooClassLoader = new FooClassLoader();public static void main(String[] args) throws Exception {ClassLoaderTest classLoaderTest = new ClassLoaderTest();classLoaderTest.initAndLoad();Object fooTestInstance = classLoaderTest.getFooTestInstance();System.out.println(fooTestInstance.getClass().getClassLoader());Method getFoo = fooTestInstance.getClass().getMethod("getFoo");System.out.println(getFoo.invoke(fooTestInstance));System.out.println(classLoaderTest.getClass().getClassLoader());}private void initAndLoad() throws Exception {Class<?> aClass = Class.forName("com.example.test.FooTest", true, fooClassLoader);fooTestInstance = aClass.newInstance();}public Object getFooTestInstance() {return fooTestInstance;}
}

我们用FooClassLoader来加载com.example.test.FooTest, 然后在 AppClassLoader中持有引用.被后续使用.

引用

深入理解 Java 虚拟机(第二版)