Java 类加载
从一个诡异的问题说起
测试案例一：
package ecut.classloader; public class Sun { protected static int a = 100 ; protected static int b ; protected static Sun instance = new Sun() ; public Sun() { a++ ; b++ ; } }
package ecut.classloader; public class SunTest { @SuppressWarnings("unused") public static void main(String[] args) { Sun s = Sun.instance; System.out.println( Sun.a ); System.out.println( Sun.b ); } }
运行结果如下：
101 1
测试案例二：
package ecut.classloader; public class Moon { protected static Moon instance = new Moon() ; protected static int a = 100 ; protected static int b ; public Moon() { a++ ; b++ ; } }
package ecut.classloader; public class MoonTest { @SuppressWarnings("unused") public static void main(String[] args) { Moon s = Moon.instance; System.out.println( Moon.a ); System.out.println( Moon.b ); } }
运行结果如下：
100 1
类的生命周期
1、 JVM 的生命周期 ( 在线程部分 ) ：当一个 Java 程序执行时，将启动一个 JVM 进程 ，当程序执行结束或抛出异常时 JVM 退出。
2、对象的声明周期： 当使用 new 关键字 创建一个类的实例时，一个对象(实例)的生命周期即宣告开始
Student s = new Student(); // 将导致创建一个Student实例并对该实例中的实例属性进行初始化
实例属性的初始化:
private int id = 0 ;
private String studentNo ;
{
studentNo = "ECUT-00000000" ;
}
private String name ;
public Student( String name ){
this.name = name ;
}
使用对象 ( 使用对象的 属性 、方法 等 )
当某个对象不再被任何一个引用变量所引用时，它可能会被GC回收，如果被回收，它的生命周期将宣告结束
3、类的生命周期
java.lang.Object 是整个 Java 类继承体系的根类
- java.lang.Class 类 也继承了 Object 类
java.lang.Class 类的实例表示正在运行的 Java 应用程序中的类和接口
- java.lang.Object.class 表示正在运行的 Java 程序中的 那个 Object 类 对应的 Class 类型的对象
- Java语言中万事万物都可以当作对象来对待，即使是一个类，也可以当对对象对待。
类的加载
- 将 字节码文件( .class ) 读入到 JVM 所管理的内存中
- 将 字节码文件对应的类的数据结构 保存在方法区
- 最后生成一个与该类对应的 java.lang.Class 类型的对象 ( 在堆区 )
类的链接
- 连接是把已读入到内存的类的二进制数据合并到Java运行时环境(JRE)中去。
- 连接又分为三个阶段：验证、准备、解析。
- 验证:验保证类有正确的内部结构，并且与其它类协调一致如果JVM 检查到错误，就会抛出Error 对象。
类文件的结构检查: 确保文件遵循Java 文件的固定格式
语义检查: 确保类本身符合Java 语言的语法规定
字节码验证: 确保字节码流可以被JVM 安全地执行
» 字节码流代表Java 方法(含静态和非静态)，它是被称作操作码的单字节指令组成的序列，每个操作码后都跟着一个或多个操作数
» 字节码验证会检查每个操作码是否合法，即是否有合法的操作数二进制兼容的验证: 确保相互引用的类之间协调一致
» 比如A 类中调用B 类的b() 方法，检查B 中是否有b() 方法存在
- 准备: 在准备阶段，JVM 为类的静态变量分配内存，并设置默认值（byte 、short 、int 默认值都是 0，long 默认值是 0L，float 默认值是 0.0F，double 默认值是 0.0，boolean 默认值是 false，char 默认值是 \u0000， 引用类型的默认值是 null）。
- 解析: 将符号引用解析为直接引用
类的初始化
- 初始化阶段，JVM执行类的初始化语句，为静态变量赋予初始值
- 静态变量的初始化途径：在静态变量的声明处进行初始化，在静态代码块中进行初始化
- 初始化代码可能是(声明变量时的赋值语句): protected static int a = 100 ;也可以是(静态代码块):
static {
a = 10000 ;
}
- 类初始化的一般步骤
如果该类还没有被加载和连接，那么先加载和连接该类
如果该类存在直接父类，但该父类还未初始化，则先初始化其直接父类
如果该类中存在初始化语句，则依次执行这些初始化语句
- 类的初始化时机
JVM 只有在首次主动使用某个类或接口时才会初始化它
被动使用不会导致本类的初始化
诡异的问题 解析测试案例：
package ecut.classloader; public class Sun { protected static int a = 100 ;//链接(准备):0//初始化: a:100 protected static int b ;//链接(准备):0//初始化: b:0 protected static Sun instance = new Sun() ;//链接(准备):null//初始化: a:101 b:1 public Sun() { a++ ; b++ ; } }
package ecut.classloader; public class Moon { protected static Moon instance = new Moon() ;//链接(准备):null//初始化: a:1 b:1 protected static int a = 100 ;//链接(准备):0//初始化: a:100 protected static int b ;//链接(准备):0//初始化: b:1 public Moon() { a++ ; b++ ; } }
类的使用
- 主动使用 会导致 类被初始化
a>、创建类的实例 ( new 、反射、反序列化 、克隆 )
b>、调用类的静态方法
c>、访问类 或 接口的 静态属性 ( 非常量属性 ) ( 取值 或 赋值 都算 )
访问类 或 接口 的 非编译时常量，也将导致类被初始化:
public static final long time = System.currentTimeMillis();
d>、调用反射中的某个些方法，比如 Class.forName( "edu.ecut.Student" );
e>、初始化某个类时，如果该类有父类，那么父类将也被初始化
f>、被标记为启动类的那些类(main)
- 被动使用 不会导致类被初始化
a>、程序中对编译时常量的使用视作对类的被动使用
对于final 修饰的变量，如果编译时就能确定其取值，即被看作编译时常量
» 编译时常量如: public static final int a = 2 * 3 ;
» JVM 的加载和连接阶段，不会在方法区内为某个类的编译时常量分配内存
对于final 修饰的变量，如果编译时就不能确定其取值，则不被看作编译时常量
» 非编译时常量如: public static final long time = System.currentTimeMillis() ;
» 使用该类型的静态变量将导致当前类被初始化( 主动使用)
b>、JVM初始化某个类时，要求其所有父类都已经被初始化，但是 该规则不适用 于 接口 类型
一个接口不会因为其子接口或实现类的初始化而初始化，除非使用了该接口的静态属性
c>、只有当程序访问的静态变量或静态方法的确在当前类或接口定义时，
才能看作是对类或接口的主动使用:
比如使用了 Sub.method() ，而 method() 是继承自 Base ，则只初始化 Base 类
d>、调用 ClassLoader 的 loadClass( ) 加载一个类，不属于对类的主动使用
主动使用和被动使用测试案例一：
package ecut.classloader; public class Panda { // 编译时常量(对于final 修饰的变量，如果编译时就能确定其取值，即被看作编译时常量) public static final String HOMETOWN = "中国" ; // 非编译时常量(对于final 修饰的变量，如果编译时就不能确定其取值，则不被看作编译时常量) public static final long time = System.currentTimeMillis(); public static int a ; static { System.out.println( "static code , a = " + a ); a = 100 ; System.out.println( "static code , a = " + a ); } }
package ecut.classloader; public class PandaTest { public static void main(String[] args) { System.out.println( Panda.HOMETOWN ); // 编译时常量被动使用 //System.out.println( Panda.a ); // 访问静态变量(不是常量) 主动使用 //使用该类型的静态变量将导致当前类被初始化( 主动使用) System.out.println( Panda.time );//非编译时常量主动使用，静态代码块只执行一次因为初始化操作只执行一次 System.out.println( Panda.time );//只有第一次使用才完成初始化操作，所以值是固定的不变的 } }
运行结果如下：
中国 static code , a = 0 static code , a = 100 1522485492485 1522485492485
主动使用和被动使用测试案例二：
package ecut.classloader; public class InitTest { public static void main(String[] args) { //比如使用了 Child.hometown ，而 hometown是继承自 Father ，则只初始化 Father 类 //System.out.println(Child.hometown); //初始化某个类时，如果该类有父类，那么父类将也被初始化 //System.out.println(Child.name); //new Father(); //new Father(); new Child(); new Child(); } } class Father { protected static String hometown ; static{ System.out.println( "Father : static code block." ); hometown = "Sinaean" ; }//new Fater()时静态代码块最先执行，只执行一次 { System.out.println( "Father : non-static code block." );}//每一次new Fater()都执行，仅此静态代码块执行 public Father(){ System.out.println( "Father construction." ); }//每一次new Fater()都执行，最后执行 } class Child extends Father { protected static String name ; static{ System.out.println( "Child : static code block." ); name = "Child" ; } { System.out.println( "Child : non-static code block." );} public Child(){ System.out.println( "Child construction." ); } }
运行结果如下：
Father : static code block. Child : static code block. Father : non-static code block. Father construction. Child : non-static code block. Child construction. Father : non-static code block. Father construction. Child : non-static code block. Child construction.
类的卸载：当一个类不再被任何对象所使用时，JVM会卸载该类。
类加载器
1、类加载器用来把类加载到JVM 中
从JDK 1.2 版本开始，类的加载过程采用父亲委托机制
- 设loader 要加载A 类，则loader 首先委托自己的父加载器去加载A 类，如果父加载器能加载A 类则由父加载器加载，否则才由loader 本身来加载A类。
- 这种机制能更好地保证Java 平台的安全性
父亲委托机制中，每个类加载器都有且只有一个父加载器，除了JVM 自带的根类加载器( Bootstrap Loader )
2、JVM 的三种主要类加载机制
全盘负责
- 当一个类加载器负责加载某个类时，该类所依赖和引用的其它类也将由当前的类加载器负责载入，除非显式使用了另外一个类加载器来载入
父类委托
- 先让父加载器加载某个类，只有父加载器无法加载该类时子加载器才加载
- 当需要加载某个类时，加载这个类的类加载器会将加载操作委托给父加载器
- JVM 提供了 根 加载器 : Bootstrap Loader ,它 是 JVM 的一个组成部分 ( 由JVM的实现着实现 )
缓存机制
- 使用缓存把所有的被加载过的类缓存起来，当程序中需要用到某个类时，类加载器先从缓存中搜寻该类，如果缓存中不存在该类，系统将读取该类对应的二进制数据并转换成Class 对象并存入cache 中
- 这正是修改源文件后只有重启一个JVM 才能看到修改后的执行效果的原因
3、JVM 自带的类加载器
根类加载器(BootstrapLoader)
- 负责加载虚拟机的核心类库，比如java.lang.* 等
- 从系统属性sun.boot.class.path 所指定的目录中加载类库
- 该加载器没有父加载器，它属于JVM 的实现的一部分(用C++实现)
扩展类加载器(ExtClassLoader)
- 其父加载器为BootstrapLoader 类的一个实例
- 该加载器负责从java.ext.dirs 系统属性所指定的目录中加载类库或者从JDK_HOME/jre/lib/ext 目录中加载类库
- 该加载器对应的类是纯Java 类，其父类是java.lang.ClassLoader
系统类加载器(AppClassLoader)
- 也称作应用类加载器，其父加载器默认为ExtClassLoader 类的一个实例
- 负责从CLASSPATH 或系统属性java.class.path 所指定的目录中加载类库
- 它是用户自定义类加载器的默认父加载器
- 其父类也是java.lang.ClassLoader
ClassLoader测试案例一：
package ecut.classloader; import java.util.ArrayList; public class ClassLoaderTest1 { public static void main(String[] args) { Class<?> c = String.class; // java.lang.String ClassLoader loader = c.getClassLoader(); System.out.println(loader); // null ( Bootstrap Loader ) Object o = new ArrayList<>(); // java.util.ArrayList c = o.getClass(); loader = c.getClassLoader(); System.out.println(loader); // null ( Bootstrap Loader ) c = ClassLoaderTest1.class; loader = c.getClassLoader(); // 获得 ClassLoaderTest1 这个类的类加载器 System.out.println(loader); // AppClassLoader // 获得 loader 这个 "类加载器" 的 父加载器 ClassLoader parent = loader.getParent(); System.out.println(parent); // ExtClassLoader ClassLoader root = parent.getParent(); System.out.println( root ); // null ( Bootstrap Loader ) } }
运行结果如下：
null null sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@15db9742 nul
4、类加载器的层次
注意这里的层次关系不是类与类的继承关系
各层次的类加载器加载的类
ClassLoader测试案例二：
package ecut.classloader; import java.util.Iterator; import java.util.Properties; import java.util.Set; public class ClassLoaderTest2 { public static void main(String[] args) { Properties props = System.getProperties(); System.out.println(props); System.out.println("~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"); Set<Object> keys = props.keySet(); for (Object key : keys) { Object value = props.get(key); System.out.println(key + " : " + value); } System.out.println("~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"); Iterator<Object> it = keys.iterator(); while (it.hasNext()) { Object key = it.next(); Object value = props.get(key); System.out.println(key + " : " + value); } System.out.println("~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"); System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs")); System.out.println(System.getProperty("java.class.path")); } }
运行结果如下：
.......... ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext D:\java_workspace\Java\JavaAdvanced\bin
5、自定义类加载器
JVM 允许开发者开发自己的类加载器
- 扩展java.lang.ClassLoader 类即可
- 重写其中的方法
ClassLoader 中的关键方法
- Class loadClass(String name )该方法为ClassLoader 的入口点，根据指定二进制名称来加载类
- Class findClass( String name )根据二进制名称来查找类(一般重写该方法即可)
- Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)根据加载到的二进制数据返回一个Class 对象。
部分源码：
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException { return loadClass(name, false); } protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // 首先，检查类是否已经加载。 Class<?> c = findLoadedClass(name); if (c == null) { long t0 = System.nanoTime(); try { if (parent != null) { c = parent.loadClass(name, false);//看父类加载器有没有加载该类（父委托机制） } else { c = findBootstrapClassOrNull(name);//父类加载器为空，看根加载器（Bootstrap Loader）有没有加载 } } catch (ClassNotFoundException e) { //如果类没有发现抛出ClassNotFoundException } if (c == null) { //如果仍然没有找到，然后调用findClass为了找到类。 long t1 = System.nanoTime(); c = findClass(name); // 这是定义类装入器；记录统计数据 sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0); sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1); sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment(); } } if (resolve) { resolveClass(c); } return c; } } protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { throw new ClassNotFoundException(name); }
除了 Bootstrap Loader 之外，其它的所有的类加载器对应的类的父类都是 java.lang.ClassLoader，loadClass方法最终调用的是findClass方法，因此自定义加载器时应该继承java.lang.ClassLoader并重写findClass方法。
自定义加载器测试案例：
用记事本新建一个Student.java，再使用命令行生成Student.class文件
Student.java有包名，直接运行Java命令会无法加载主类，因为用Javac 虽然可以编译但是没有生成正确的目录结构，包结构不对，main方法无法执行，应该带着包一起编译。并且运行java 命令需要在包名的上级目录下运行，且带上完整类名（包名.类名）
错误的编译方式：
正确的编译方式：
\
package ecut.classloader.entity; public class Student{ private String name; private int id; public void setName(String name){ this.name = name; } public String getName(){ return name; } public void setId (int id){ this.id = id; } public int getId(){ return id; } public static void main(String[] args) { System.out.println("Hello World"); } }
package ecut.classloader; import java.io.ByteArrayOutputStream; import java.io.IOException; import java.io.InputStream; import java.nio.file.Files; import java.nio.file.Path; import java.nio.file.Paths; /** * 除了 Bootstrap Loader 之外， * 其它的所有的类加载器对应的类的父类都是 java.lang.ClassLoader */ public class EcutClassLoader extends ClassLoader { private String path ; public EcutClassLoader(String path) { super(); this.path = path; } @Override protected Class<?> findClass(final String name) throws ClassNotFoundException { Class<?> c = null ; System.out.println( "将要加载的类: " + name ); String s = name.replace( '.', '/' ) + ".class"; Path p = Paths.get( path , s ); if( Files.exists( p ) ){ try { ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); InputStream in = Files.newInputStream( p ); int n ; byte[] bytes = new byte[1024]; while( ( n = in.read( bytes ) ) != -1 ){ baos.write( bytes , 0 , n ); } final byte[] byteCode = baos.toByteArray(); // 获得 ByteArrayOutputStream 内部的数据 c = this.defineClass( name , byteCode , 0 , byteCode.length ); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } else { throw new ClassNotFoundException( "类: " + name + " 未找到." ); } return c ; } }
package ecut.classloader; import java.lang.reflect.Field; public class EcutClassLoaderTest { public static void main(String[] args) throws Exception { final String path = "D:/Amy" ; // 创建一个自定义的类加载器 ( 实例 ) EcutClassLoader loader = new EcutClassLoader( path ); final String className = "ecut.classloader.entity.Student" ; Class<?> c = loader.loadClass( className ); System.out.println( c ); System.out.println( c.getName() ); System.out.println( c.getSimpleName() ); System.out.println( "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~" ); Object o = c.newInstance(); System.out.println( o ); Field idField = c.getDeclaredField( "id" ); idField.setAccessible( true ); Object value = idField.get( o ); // o.id System.out.println( value ); idField.set( o , 250 ); // o.id = 250 ; value = idField.get( o ); // o.id System.out.println( value ); } }
运行结果如下：
将要加载的类: ecut.classloader.entity.Student class ecut.classloader.entity.Student ecut.classloader.entity.Student Student ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ecut.classloader.entity.Student@4e25154f 0 250
java.net.URLClassLoader 类
- 是ClassLoader 的URL 版实现
- 该类也是系统类加载器类和扩展类加载器类的父类，这两个类继承了该类，该类又继承了java.security.SecureClassLoader，而java.security.SecureClassLoader 则继承了ClassLoader
- URLClassLoader 功能比较强大，可以从本地文件系统中获取二进制文件来加载类，也可以从远程主机获取二进制文件来加载类
常用构造
- URLClassLoader( URL[] urls )
- URLClassLoader( URL[] urls , ClassLoader parent )
获得实例的静态方法
- static URLClassLoader newInstance(URL[] urls)
- static URLClassLoader newInstance(URL[] urls, ClassLoader parent)
待解决问题
URLClassLoader
转载请于明显处标明出处
