ClassLoader背景知识
前几天想了一下,最近主要学习linux和httpd,所以tomcat源码阅读先放一放,可能到9月份左右再继续。不过先把已经写好的几篇陆续贴上来
tomcat用到很多ClassLoader相关的代码,如果缺乏这方面的背景知识,阅读源码会遇到很多障碍,所以本文首先总结一下这方面的内容,和tomcat源码的关系不大
1 标准的ClassLoader体系
1.1 bootstrap
bootstrap classloader是由JVM启动的,用于加载%JAVA_HOME%/jre/lib/下的JAVA平台自身的类(比如rt.jar中的类等)。这个classloader位于JAVA类加载器链的顶端,是用C/C++开发的,而且JAVA应用中没有任何途径可以获取到这个实例,它是JDK实现的一部分
1.2 extension
entension classloader用于加载%JAVA_HOME%/jre/lib/ext/下的类,它的实现类是sun.misc.Launcher$ExtClassLoader,是一个内部类
基本上,我们开发的JAVA应用都不太需要关注这个类
1.3 system
system classloader是jvm启动时,根据classpath参数创建的类加载器(如果没有显式指定classpath,则以当前目录作为classpath)。在普通的JAVA应用中,它是最重要的类加载器,因为我们写的所有类,通常都是由它加载的。这个类加载器的实现类是sun.misc.Launch$AppClassLoader
用ClassLoader.getSystemClassLoader(),可以得到这个类加载器
1.4 custom
一般情况下,对于普通的JAVA应用,ClassLoader体系就到system为止了。平时编程时,甚至都不会感受到classloader的存在
但是对于其他一些应用,比如web server,插件加载器等,就必须和ClassLoader打交道了。这时候默认的类加载器不能满足需求了(类隔离、运行时加载等需求),需要自定义类加载器,并挂载到ClassLoader链中(默认会挂载到system classloader下面)
2 双亲委派模型
从上面的图可以看到,classloader链,是一个自上而下的树形结构。一般来说,java中的类加载,是遵循双亲委派模型的,即:
当一个classloader要加载一个类时,首先会委托给它的parent classloader来加载,如果parent找不到,才会自己加载。如果最后也找不到,则会抛出熟悉的ClassNotFoundException
这个模型,是在最基础的抽象类ClassLoader里确定的:
- 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 = findBootstrapClassOrNull(name);
- }
- } catch (ClassNotFoundException e) {
- // ClassNotFoundException thrown if class not found
- // from the non-null parent class loader
- }
- if (c == null) {
- // If still not found, then invoke findClass in order
- // to find the class.
- c = findClass(name);
- }
- }
- if (resolve) {
- resolveClass(c);
- }
- return c;
- }
自定义ClassLoader的时候,一般来说,需要做的并不是覆盖loadClass()方法,这样的话就“破坏”了双亲委派模型;需要做的只是实现findClass()方法即可
不过,从上面的代码也可以看出,双亲委派模型只是一种“建议”,并没有强制保障的措施。如果自定义的ClassLoader无视此规定,直接自行加载,不将请求委托给parent,当然也是没问题的
在实际情况中,双亲委派模型被“破坏”也是很常见的。比如在tomcat里,webappx classloader就不会委托给上层的common classloader,而是先委托给system,然后自己加载,最后才委托给common;再比如说在OSGi里,更是有意完全打破了这个规则
当然,对于普通的JAVA应用开发来说,需要自定义classloader的场景本来就不多,需要去违反双亲委派模型的场景,更是少之又少
3 自定义ClassLoader
3.1 自定义ClassLoader的一般做法
从上面的代码可以看到,自定义ClassLoader很简单,只要继承抽象类ClassLoader,再实现findClass()方法就可以了
3.2 自定义ClassLoader的场景
事实上,需要实现新的ClassLoader的场景是很少的
注意:需要增加一个自定义ClassLoader的场景很多;但是,需要自己实现一个新的ClassLoader子类的场景不多。这是两回事,不可混淆
比如,即使在tomcat里,也没有自行实现新的ClassLoader子类,只是创建了URLClassLoader的实例,作为custom classloader
3.3 ClassLoader的子类
在JDK中已经提供了若干ClassLoader的子类,在需要的时候,可以直接创建实例并使用。其中最常用的是URLClassLoader,用于读取一个URL下的资源,从中加载Class
- @Deprecated
- public class StandardClassLoader
- extends URLClassLoader
- implements StandardClassLoaderMBean {
- public StandardClassLoader(URL repositories[]) {
- super(repositories);
- }
- public StandardClassLoader(URL repositories[], ClassLoader parent) {
- super(repositories, parent);
- }
- }
可以看到,tomcat就是在URLClassLoader的基础上,包装了StandardClassLoader,实际上并没有任何功能上的区别
3.4 设置parent
在抽象类ClassLoader中定义了一个parent字段,保存的是父加载器。但是这个字段是private的,并且没有setter方法
这就意味着只能在构造方法中,一次性地设置parent classloader。如果没有设置的话,则会默认将system classloader设置为parent,这也是在ClassLoader类中确定的:
- protected ClassLoader(ClassLoader parent) {
- this(checkCreateClassLoader(), parent);
- }
- protected ClassLoader() {
- this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
- }
4 ClassLoader隐性传递
“隐性传递”这个词是我乱造的,在网上和注释中没有找到合适的描述的词
试想这样一种场景:在应用中需要加载100个类,其中70个在classpath下,默认由system来加载,这部分不需要额外处理;另外30个类,由自定义classloader加载,比如在tomcat里:
- Class<?> startupClass = catalinaLoader.loadClass("org.apache.catalina.startup.Catalina");
- Object startupInstance = startupClass.newInstance();
如上,org.apache.catalina.startup.Catalina是由自定义类加载器加载的,需要额外编程来处理(如果是system加载的,直接new就可以了)
如果30个类,都要通过这种方式来加载,就太麻烦了。不过classloader有一个特性,就是“隐性传递”,即:
如果一个ClassA是由某个ClassLoader加载的,那么ClassA中依赖的需要加载的类,默认也会由同一个ClassLoader加载
这个机制是由JVM保证的,对于程序员来说是透明的
5 current classloader
5.1 定义
与前面说的extension、system等不同,在运行时并不存在一个实际的“current classloader”,只是一个抽象的概念。指的是一个类“当前的”类加载器。一个对象实例所属的Class,是由哪一个ClassLoader加载的,这个ClassLoader就是这个对象实例的current classloader
获得的方法是:
- this.getClass().getClassLoader();
5.2 实例
current classloader概念的意义,主要在于它会影响Class.forName()方法的表现,贴一段代码进行说明:
- public class Test {
- public void tryForName() {
- System.out.println("current classloader: "
- + this.getClass().getClassLoader());
- try {
- Class.forName("net.kyfxbl.test.cl.Target");
- System.out.println("load class success");
- } catch (ClassNotFoundException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
这个类调用了Class.forName()方法,试图加载net.kyfxbl.test.cl.Target类(Target是一个空类,作为加载目标,不重要)。这个类在运行时能否加载Target成功,取决于它的current classloader,能不能加载到Target
首先,将Test和Target打成jar包,放到classpath之外,jar包中内容如下:
然后在工程中删除Target类(classpath中加载不到Target了)
在Main中用system 加载Test,此时Test的current classloader是system,加载Target类失败
- public static void main(String[] args) {
- Test t = new Test();
- t.tryForName();
- }
然后,这次用自定义的classloader来加载
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- ClassLoader cl = createClassLoader();
- Class<?> startupClass = cl.loadClass("net.kyfxbl.test.cl.Test");
- Object startupInstance = startupClass.newInstance();
- String methodName = "tryForName";
- Class<?>[] paramTypes = new Class[0];
- Object[] paramValues = new Object[0];
- Method method = startupInstance.getClass().getMethod(methodName,
- paramTypes);
- method.invoke(startupInstance, paramValues);
- }
- private static ClassLoader createClassLoader() throws MalformedURLException {
- String filePath = "c://hehe.jar";
- File file = new File(filePath);
- URL url = file.toURI().toURL();
- URL[] urls = new URL[] { url };
- ClassLoader myClassLoader = new URLClassLoader(urls);
- return myClassLoader;
- }
在想象中,这次Test的current classloader应该变成URLClassLoader,并且加载Target成功。但是还是失败了
这是因为前面说过的“双亲委派模型”,URLClassLoader的parent是system classloader,由于工程里的Test类没有删除,所以classpath里还是能找到Test类,所以Test类的current classloader依然是system classloader,和第一次一样
接下来把工程里的Test类也删除,这次就成功了
5.3 Class.forName()
前面说的是单个参数的forName()方法,默认使用current ClassLoader
除此之外,Class类还定义了3个参数的forName()方法,方法签名如下:
- public static Class<?> forName(String name, boolean initialize,
- ClassLoader loader)
- throws ClassNotFoundException
这个方法的最后一个参数,可以传递一个ClassLoader,会用这个ClassLoader进行加载。这个方法很重要
比如像JNDI,主体类是在JDK包里,由bootstrap加载。而SPI的实现类,则是由厂商提供,一般在classpath里。那么在JNDI的主体类里,要加载SPI的实现类,直接用Class.forName()方法肯定是不行的,这时候就要用到3个参数的Class.forName()方法了
6 ContextClassLoader
6.1 获取ClassLoader的API
前面说过,已经有2种方式可以获取到ClassLoader的引用
一种是ClassLoader.getSystemClassLoader(),获取的是system classloader
另一种是getClass().getClassLoader(),获取的是current classloader
这2种API都只能获取classloader,没有办法用来传递
6.2 传递ClassLoader
每一个thread,都有一个contextClassLoader,并且有getter和setter方法,用来在线程之间传递ClassLoader
有2条默认的规则:
首先,contextClassLoader默认是继承的,在父线程中创建子线程,那么子线程会继承父线程的contextClassLoader
其次,主线程,也就是执行main()方法的那个线程,默认的contextClassLoader是system classloader
6.3 例子
对上面例子中的Test和Main稍微改一下(Test和Target依然打到jar包里,然后从工程中删除,避免被system classloader加载到)
- public class Test {
- public void tryForName() {
- System.out.println("current classloader: "
- + getClass().getClassLoader());
- System.out.println("thread context classloader: "
- + Thread.currentThread().getContextClassLoader());
- try {
- Class.forName("net.kyfxbl.test.cl.Target");
- System.out.println("load class success");
- } catch (Exception exc) {
- exc.printStackTrace();
- }
- }
- }
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- ClassLoader cl = createClassLoader();
- Class<?> startupClass = cl.loadClass("net.kyfxbl.test.cl.Test");
- final Object startupInstance = startupClass.newInstance();
- new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- String methodName = "tryForName";
- Class<?>[] paramTypes = new Class[0];
- Object[] paramValues = new Object[0];
- try {
- Method method = startupInstance.getClass().getMethod(
- methodName, paramTypes);
- method.invoke(startupInstance, paramValues);
- } catch (Exception exc) {
- exc.printStackTrace();
- }
- }
- }).start();
- }
这次的tryForName()方法在一个子线程中被调用,并依次打印出current classloader和contextClassLoader,如图:
可以看到,子线程继承了父线程的contextClassLoader
同时可以注意到,contextClassLoader对Class.forName()方法没有影响,contextClassLoader只是起到在线程之间传递ClassLoader的作用
6.4 题外话
从这个例子还可以看出,一个方法在运行时的表现,在编译期是无法确定的
在运行时的表现,有时候取决于方法所在的类是被哪个ClassLoader加载;有时候取决于是运行在单线程环境下,还是多线程环境下
这在编译期是不可知的,所以在编程的时候,要考虑运行时的情况。比如所谓“线程安全”的类,并不是说它“一定”会运行在多线程环境下,而是说它“可以”运行在多线程环境下
7 总结
本文大致总结了ClassLoader的背景知识。掌握了背景,再阅读tomcat的源码,基本就不会遇到ClassLoader方面的困难
本文介绍了ClassLoader的标准体系、双亲委派模型、自定义ClassLoader的方法、以及current classloader和contextClassLoader的概念
其中最重要的是current classloader和contextClassLoader
用于获取ClassLoader的API主要有3种:
ClassLoader.getSystemClassLoader();
Class.getClassLoader();
Thread.getContextClassLoader();
第一个是静态方法,返回的永远是system classloader,也就是说,没什么用
后面2个都是实例方法,一个是返回实例所属的类的ClassLoader;另一个返回当前线程的contextClassLoader,具体的结果都要在运行时才能确定
其中,contextClassLoader可以起到传递ClassLoader的作用,所以特别重要
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