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初探Java类加载机制的奥秘
摘要: 在jdk1.2以后，类加载是通过委托来完成的，这意味着如果 ClassLoader 不能找到类……
一、在jdk1.2以后，类加载是通过委托来完成的，这意味着如果 ClassLoader 不能找到类，它会请求父代 ClassLoader 来执行此项任务，所有 ClassLoaders 的根是系统 ClassLoader，它会以缺省方式装入类 -- 即，从本地文件系统。今天我们就来探讨一下在jvm中这些机制是怎样运行的。让我们假设有一个class字节码文件（比如Hello.class文件），那么在应用程序中，他是如何被加载进来，并形成一个类对象的呢？我们这篇文章的目的就是为了解释这个问题。
在java.lang包里有个ClassLoader类，ClassLoader 的基本目标是对类的请求提供服务。当 JVM 需要使用类时，它根据名称向 ClassLoader 请求这个类，然后 ClassLoader 试图返回一个表示这个类的 Class 对象。通过覆盖对应于这个过程不同阶段的方法，可以创建定制的 ClassLoader。其中有个loadClass(String name, boolean resolve)方法，该方法为ClassLoader的入口点，在jdk1.2以后，loadClass方法将缺省调用findClass方法，详细内容可以参考API文档，我们编写的ClassLoader主要就是为了覆盖以上两个方法。回到我们刚才的问题，怎样读进字节码文件，并把它构成一个类对象呢？在ClassLoader里有个方法，Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)，答案就在这里了，我们根据把class字节码文件（如Hello.class)读进一个字节数组里，byte[] b,并把它转化为Class对象，而这些数据可以来源于文件，网络等，神奇吧:)
defineClass管理 JVM 的许多复杂、神秘和倚赖于实现的方面 -- 它把字节码分析成运行时数据结构、校验有效性等等。不必担心，您无需亲自编写它。事实上，即使您想要这么做也不能覆盖它，因为它已被标记成最终的。
其他一些方法：
findSystemClass方法：从本地文件系统装入文件。它在本地文件系统中寻找类文件，如果存在，就使用 defineClass 将原始字节转换成 Class 对象，以将该文件转换成类。
findClass方法：jdk1.2以后loadClass 的缺省实现调用这个新方法。findClass 的用途包含您的 ClassLoader 的所有特殊代码，而无需要复制其它代码（例如，当专门的方法失败时，调用系统 ClassLoader）。
getSystemClassLoader： 如果覆盖 findClass 或 loadClass，getSystemClassLoader 使您能以实际 ClassLoader 对象来访问系统 ClassLoader（而不是固定的从 findSystemClass 调用它）。
getParent：为了将类请求委托给父代 ClassLoader，这个新方法允� � ClassLoader 获取它的父代 ClassLoader。当使用特殊方法，定制的 ClassLoader 不能找到类时，可以使用这种方法。
resolveClass: 可以不完全地（不带解析）装入类，也可以完全地（带解析）装入类。当编写我们自己的 loadClass 时，可以调用 resolveClass，这取决于 loadClass 的 resolve 参数的值。
findLoadedClass:充当一个缓存,当请求 loadClass 装入类时，它调用该方法来查看 ClassLoader 是否已装入这个类，这样可以避免重新装入已存在类所造成的麻烦。应首先调用该方法。
二、工作流程：
1)调用 findLoadedClass(String) 来查看是否存在已装入的类,如果没有，那么采用那种特殊的神奇方式来获取原始字节。
2）通过父类ClassLoader调用loadClass方法，如果父类ClassLoader是null，那么按缺省方式装入类，即系统ClassLoader。
3）调用findClass(String)去查找类并获取类；
4）如果loadClass 的 resolve 参数的值为true，那么调用 resolveClass 解析 Class 对象.
5）如果还没有类，返回 ClassNotFoundException。
6）否则，将类返回给调用程序。
三、一个实现了ClassLoader的例子：
<table borderColor=#ffcc66 width="90%" align=center bgColor=#dadacf border=1> <tr> <td>/**
*CompilingClassLoader.java
*Copyright 2005-2-12
*/
import java.io.*;
public class CompilingClassLoader extends ClassLoader{
//读取一个文件的内容
private byte[] getBytes(String filename) throws IOException{
File file=new File(filename);
long len=file.length();
byte[] raw=new byte[(int)len];
FileInputStream fin=new FileInputStream(file);
int r=fin.read(raw);
if(r!=len) throw new IOException("Can't read all,"+r+"!="+len);
fin.close();
return raw;
}
private boolean compile(String javaFile) throws IOException{
System.out.println("CCL:Compiling "+javaFile+"...");
//调用系统的javac命令
Process p=Runtime.getRuntime().exec("javac "+javaFile);
try{
//其他线程都等待这个线程完成
p.waitFor();
}catch(InterruptedException ie){
System.out.println(ie);
}
int ret=p.exitValue();
return ret==0;
}
public Class loadClass(String name,boolean resovle) throws ClassNotFoundException{
Class clas=null;
clas=findLoadedClass(name);
//这里说明了包的表示
String fileStub=name.replace('.','/');
String javaFilename=fileStub+".java";
String classFilename=fileStub+".class";
File javaFile=new File(javaFilename);
File classFile=new File(classFilename);
//如果存在class文件就不编译
if(javaFile.exists()&&(!classFile.exists()||javaFile.lastModified()>classFile.lastModified())){
try{
if(!compile(javaFilename)||!classFile.exists()){
throw new ClassNotFoundException("ClassNotFoundExcetpion:"+javaFilename);
}
}catch(IOException ie){
throw new ClassNotFoundException(ie.toString());
}
}
try{
byte[] raw=getBytes(classFilename);
//通过读入数据来构造一个类结构，这是核心
clas=defineClass(name,raw,0,raw.length);
}catch(IOException ie){
//
}
if(clas==null){
clas=findSystemClass(name);
}
System.out.println("findSystemClass:"+clas);
if(resovle && clas!=null){
resolveClass(clas);
}
if(clas==null){
throw new ClassNotFoundException(name);
}
return clas;
}
}
测试该loader：
/**
*TestRun.java
*Copyright 2005-2-11
*/
import java.lang.reflect.*;
public class TestRun{
public static void main(String[] args) throws Exception{
String progClass=args[0];
String progArgs[]=new String[args.length-1];
System.arraycopy(args,1,progArgs,0,progArgs.length);
CompilingClassLoader ccl=new CompilingClassLoader();
Class clas=ccl.loadClass(progClass);
//返回一个class的type
Class[] mainArgType={(new String[0]).getClass()};
Method main=clas.getMethod("main",mainArgType);
Object argsArray[]={progArgs};
main.invoke(null,argsArray);
}
}</td></tr></table>
以上的核心内容已经编写完了，编译后，我们得到两个文件：
CompilingClassLoader.class,TestRun.class
四、编写一个例子，然后运行我们的ClassLoader
<table borderColor=#ffcc66 width="90%" align=center bgColor=#dadacf border=1> <tr> <td>/**
*Hello.java
*/
public class Hello{
public static void main(String[] args){
if(args.length!=1){
System.err.println("Error,exit!");
System.exit(1);
}
String name=args[0];
System.out.println("Hello,"+name);
}
} </td></tr></table>
好了，运行java TestRun Hello 阿飞
<table borderColor=#ffcc66 width="90%" align=center bgColor=#dadacf border=1> <tr> <td>....
....
....
Hello,阿飞</td></tr></table>
在java.lang包里有个ClassLoader类，ClassLoader 的基本目标是对类的请求提供服务。当 JVM 需要使用类时，它根据名称向 ClassLoader 请求这个类，然后 ClassLoader 试图返回一个表示这个类的 Class 对象。通过覆盖对应于这个过程不同阶段的方法，可以创建定制的 ClassLoader。其中有个loadClass(String name, boolean resolve)方法，该方法为ClassLoader的入口点，在jdk1.2以后，loadClass方法将缺省调用findClass方法，详细内容可以参考API文档，我们编写的ClassLoader主要就是为了覆盖以上两个方法。回到我们刚才的问题，怎样读进字节码文件，并把它构成一个类对象呢？在ClassLoader里有个方法，Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)，答案就在这里了，我们根据把class字节码文件（如Hello.class)读进一个字节数组里，byte[] b,并把它转化为Class对象，而这些数据可以来源于文件，网络等，神奇吧:)
defineClass管理 JVM 的许多复杂、神秘和倚赖于实现的方面 -- 它把字节码分析成运行时数据结构、校验有效性等等。不必担心，您无需亲自编写它。事实上，即使您想要这么做也不能覆盖它，因为它已被标记成最终的。
其他一些方法：
findSystemClass方法：从本地文件系统装入文件。它在本地文件系统中寻找类文件，如果存在，就使用 defineClass 将原始字节转换成 Class 对象，以将该文件转换成类。
findClass方法：jdk1.2以后loadClass 的缺省实现调用这个新方法。findClass 的用途包含您的 ClassLoader 的所有特殊代码，而无需要复制其它代码（例如，当专门的方法失败时，调用系统 ClassLoader）。
getSystemClassLoader： 如果覆盖 findClass 或 loadClass，getSystemClassLoader 使您能以实际 ClassLoader 对象来访问系统 ClassLoader（而不是固定的从 findSystemClass 调用它）。
getParent：为了将类请求委托给父代 ClassLoader，这个新方法允� � ClassLoader 获取它的父代 ClassLoader。当使用特殊方法，定制的 ClassLoader 不能找到类时，可以使用这种方法。
resolveClass: 可以不完全地（不带解析）装入类，也可以完全地（带解析）装入类。当编写我们自己的 loadClass 时，可以调用 resolveClass，这取决于 loadClass 的 resolve 参数的值。
findLoadedClass:充当一个缓存,当请求 loadClass 装入类时，它调用该方法来查看 ClassLoader 是否已装入这个类，这样可以避免重新装入已存在类所造成的麻烦。应首先调用该方法。
二、工作流程：
1)调用 findLoadedClass(String) 来查看是否存在已装入的类,如果没有，那么采用那种特殊的神奇方式来获取原始字节。
2）通过父类ClassLoader调用loadClass方法，如果父类ClassLoader是null，那么按缺省方式装入类，即系统ClassLoader。
3）调用findClass(String)去查找类并获取类；
4）如果loadClass 的 resolve 参数的值为true，那么调用 resolveClass 解析 Class 对象.
5）如果还没有类，返回 ClassNotFoundException。
6）否则，将类返回给调用程序。
三、一个实现了ClassLoader的例子：
<table borderColor=#ffcc66 width="90%" align=center bgColor=#dadacf border=1> <tr> <td>/**
*CompilingClassLoader.java
*Copyright 2005-2-12
*/
import java.io.*;
public class CompilingClassLoader extends ClassLoader{
//读取一个文件的内容
private byte[] getBytes(String filename) throws IOException{
File file=new File(filename);
long len=file.length();
byte[] raw=new byte[(int)len];
FileInputStream fin=new FileInputStream(file);
int r=fin.read(raw);
if(r!=len) throw new IOException("Can't read all,"+r+"!="+len);
fin.close();
return raw;
}
private boolean compile(String javaFile) throws IOException{
System.out.println("CCL:Compiling "+javaFile+"...");
//调用系统的javac命令
Process p=Runtime.getRuntime().exec("javac "+javaFile);
try{
//其他线程都等待这个线程完成
p.waitFor();
}catch(InterruptedException ie){
System.out.println(ie);
}
int ret=p.exitValue();
return ret==0;
}
public Class loadClass(String name,boolean resovle) throws ClassNotFoundException{
Class clas=null;
clas=findLoadedClass(name);
//这里说明了包的表示
String fileStub=name.replace('.','/');
String javaFilename=fileStub+".java";
String classFilename=fileStub+".class";
File javaFile=new File(javaFilename);
File classFile=new File(classFilename);
//如果存在class文件就不编译
if(javaFile.exists()&&(!classFile.exists()||javaFile.lastModified()>classFile.lastModified())){
try{
if(!compile(javaFilename)||!classFile.exists()){
throw new ClassNotFoundException("ClassNotFoundExcetpion:"+javaFilename);
}
}catch(IOException ie){
throw new ClassNotFoundException(ie.toString());
}
}
try{
byte[] raw=getBytes(classFilename);
//通过读入数据来构造一个类结构，这是核心
clas=defineClass(name,raw,0,raw.length);
}catch(IOException ie){
//
}
if(clas==null){
clas=findSystemClass(name);
}
System.out.println("findSystemClass:"+clas);
if(resovle && clas!=null){
resolveClass(clas);
}
if(clas==null){
throw new ClassNotFoundException(name);
}
return clas;
}
}
测试该loader：
/**
*TestRun.java
*Copyright 2005-2-11
*/
import java.lang.reflect.*;
public class TestRun{
public static void main(String[] args) throws Exception{
String progClass=args[0];
String progArgs[]=new String[args.length-1];
System.arraycopy(args,1,progArgs,0,progArgs.length);
CompilingClassLoader ccl=new CompilingClassLoader();
Class clas=ccl.loadClass(progClass);
//返回一个class的type
Class[] mainArgType={(new String[0]).getClass()};
Method main=clas.getMethod("main",mainArgType);
Object argsArray[]={progArgs};
main.invoke(null,argsArray);
}
}</td></tr></table>
以上的核心内容已经编写完了，编译后，我们得到两个文件：
CompilingClassLoader.class,TestRun.class
四、编写一个例子，然后运行我们的ClassLoader
<table borderColor=#ffcc66 width="90%" align=center bgColor=#dadacf border=1> <tr> <td>/**
*Hello.java
*/
public class Hello{
public static void main(String[] args){
if(args.length!=1){
System.err.println("Error,exit!");
System.exit(1);
}
String name=args[0];
System.out.println("Hello,"+name);
}
} </td></tr></table>
好了，运行java TestRun Hello 阿飞
<table borderColor=#ffcc66 width="90%" align=center bgColor=#dadacf border=1> <tr> <td>....
....
....
Hello,阿飞</td></tr></table>
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