Java内存管理-掌握自定义类加载器的实现（七）
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上一篇分析了ClassLoader的类加载相关的核心源码，也简单介绍了ClassLoader的设计思想，读源码相对来说是比较枯燥的，还是这个是必须要走的过程，学习源码中的一些思想，一些精髓，看一下大神级人物是怎么写出那么牛逼的代码。我们能够从中学到一点点东西，那也是一种进步和成长了。本文基于上一篇文章内容，手把手写一个自定义类加载器，并且通过一些简单的案例（场景）让我们更加细致和静距离的体验类加载器的神奇之处。
本文地图：
一、上文回顾扩展
上一篇介绍了ClassLoader中loadClass()内的一些源码，也介绍了一些核心的API，其中有一个getParent()是没有做说明的，这里简单说明一下，方便快速理解后续的内容。
// 返回委托的父类加载器。
ClassLoader getParent()
这个方法是获取父类加载器，那么父类加载器是怎么初始化的。上一文也提到了，虽然类加载器的加载模式为双亲委派模型，但是真正在实现上并不是使用继承方式。
看下面源码，sun.misc.Launcher类是java的入口，在启动java应用的时候会首先创建Launcher类，创建Launcher类的时候回准备应用程序运行中需要的类加载器。
/**
* 删除了一些其他代码，方便阅读
**/
public class Launcher {
// 可自行打印一下 bootClassPath ，看输入内容是什么？
private static String bootClassPath = System.getProperty("sun.boot.class.path");// ①
private static Launcher launcher = new Launcher(); // ②
private ClassLoader loader;
public Launcher() {
Launcher.ExtClassLoader var1;
try {
var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
} catch (IOException var10) {
throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
}
try {
this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
} catch (IOException var9) {
throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
}
Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);// ③
// 省略其他代码....
}
}
第一：Launcher作为JAVA应用的入口，根据我们之前所学的双亲委派模型，Laucher是由JVM创建的，它类加载器应该是BootStrapClassLoader， 这是一个C++编写的类加载器，是Java应用体系中最顶层的类加载器，负责加载JVM需要的一些类库，classpath配置 (%JAVA_HOME%/jre/lib)。下面通过简单例子进行说明：
public class TestClassLoader {
public static void main(String[] args) {
// 可以获取是哪个类加载器加载 Launcher 这个类
ClassLoader classLoader = Launcher.class.getClassLoader();
System.out.println("classLoader : " + classLoader);
System.out.println("-------------------");
String bootClassPath = System.getProperty("sun.boot.class.path");
String[] split = bootClassPath.split(";");
for (int i = 0; i < split.length; i++) {
System.out.println(split[i]);
}
}
输出的结果，我本地机器上路径：
classLoader : null
-------------------
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\resources.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\rt.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\sunrsasign.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\jsse.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\jce.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\charsets.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\jfr.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\classes
第二：当初始化Launcher类的时候，遇到关键字new 进行初始化，调用构造方法。先获取到ExtClassLoader类加载器，然后在获取AppClassLoader类加载器器，然后设置ExtClassLoader做为它父类加载器。具体设置代码如下：
public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader var0) throws IOException {
//删掉其他代码...
return new Launcher.AppClassLoader(var1x, var0);
}
AppClassLoader(URL[] var1, ClassLoader var2) {
// 看 super的实现 ，var2 就是 ExtClassLoader
super(var1, var2, Launcher.factory);
this.ucp.initLookupCache(this);
}
/**
* 在AppClassLoader的父类中，java.net.URLClassLoader#URLClassLoader
* super(parent); 设置父类加载器，最后可以通过 getParent() 获取父类加载器
*/
public URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent,
URLStreamHandlerFactory factory) {
super(parent); // 这里就不在继续往上跟踪了，在往上代码相对简单，可自行查阅
SecurityManager security = System.getSecurityManager();
//删掉其他代码...
}
第三：设置上下文类加载器的思考？
在Java中为什么需要上下文类加载器呢，这个就是一个非常有意思的问题。 Java中有两种方式获取类加载器：
第一种：一个类被加载的时候使用哪个类加载器来加载，也就是类.class.getClassLoader()或者对象.getClass().getClassLoader()。
String str = new String();
ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
ClassLoader classLoader2 = str.getClass().getClassLoader();
System.out.println("String loader1 : " + classLoader1);
System.out.println("String loader2 : " + classLoader2);
-----输出为null，启动类加载器进行加载--------
String loader1 : null
String loader2 : null
第二种：通过Thread的上限文获取类加载器。为什么要通过上下文加载呢？
虽然我们都知道Java类加载的双亲委派模型，在加载一个类的时候，会优先委派给父类加载器，这样保证不会出现类被重复加载，也保证了Java一些基础类(如String类)可以稳定的存在，不会被用户自定义类顶替掉。
但是双亲委派模型并不是完美的，在一些场景下会出现一些比较难解决的问题，举个例子，在使用SPI的时候，java.util.ServiceLoader是通过BootStrapClassLoader类加载器加载的，在执行到加载用户编写的扩展类的时候，如果使用当前类的类加载器，是肯定无法加载到用户编写的类的，这个时候就无法继续执行了，所以这个时候就需要使用Thread的上下文类加载器，查看源码的时候我们就发现，在用户不主动传递ClassLoader的时候，会获取当前上下文类加载器，这样应用程序才能正常的执行。
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> var0) {
ClassLoader var1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
return load(var0, var1);
}
小总结：
上面的内容是在上一篇的基础上继续的扩展，如果对还没有看过上一篇内容，请先阅读上一篇内容后，在来看这段内容。整个ClassLoader源码的的部分就分析这么多了，后面在自定义类加载器中有遇到需要分析源码的地方，还是会继续进行说明和讲解。
二、实现自定义类加载器
前面的两篇文章一直在为自定义加载器做铺垫，本文终于来引来这个神秘的嘉宾了，下面就我们用"热恋"的掌声欢迎它的出场(活跃一下气氛，因为刚才看源码太安静了)！
首先看一下JDK API中如何教我们实现从现从网络加载类的类加载器的简单示例。看下面代码：
例如，应用程序可以创建一个网络类加载器，从服务器中下载类文件。示例代码如下所示：
ClassLoader loader = new NetworkClassLoader(host, port);
Object main = loader.loadClass("Main", true).newInstance();
. . .
网络类加载器子类必须定义方法 findClass 和 loadClassData，以实现从网络加载类。下载组成该类的字节后，它应该使用方法 defineClass 来创建类实例。示例实现如下：
class NetworkClassLoader extends ClassLoader {
String host;
int port;
public Class findClass(String name) {
byte[] b = loadClassData(name);
return defineClass(name, b, 0, b.length);
}
private byte[] loadClassData(String name) {
// load the class data from the connection
. . .
}
}
下面就“手把手”一步步教你如何实现一个自定义类加载器！
第一步： 新建一个MyClassLoader 继承 ClassLoader
public class MyClassLoader extends ClassLoader {}
第二步：添加自定义的类加载器属性和 构造函数
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
/**
* 类加载器名称
*/
private String name;
/**
* 自定义加载路径
*/
private String path;
/**
* 自定义加载文件后缀类型
*/
private final String fileType = ".class";
public MyClassLoader(String name,String path){
//让系统类加载器(AppClassLoader)成为该类加载器的父类加载器
super();
this.name = name;
this.path = path;
}
public MyClassLoader(ClassLoader parent,String name,String path){
//显示指定该类的父类加载器
super(parent);
this.name = name;
this.path = path;
}
@Override
public String toString() {
return this.name;
}
}
第三步：重写findClass方法，自定义我们自己的查询类的方式，然后通过defineClass方法将一个 byte 数组转换为 Class 类的实例。
/**
* 加载我们自己定义的类，通过我们自己定义的类加载器
* @param name 二进制的文件名称
* @return Class实例对象
* @throws ClassNotFoundException
*/
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
//获取class文件的字节数组
byte[] resultData = this.loadByteClassData(name);
return super.defineClass(name, resultData, 0, resultData.length);
}
/**
* 加载指定路径下面的class文件的字节数组
* @param name 二进制文件名称 ，例如：com.learn.classloader.Demo
* @return 二进制字节数组
*/
private byte[] loadByteClassData(String name) {
byte[] classData = null;
InputStream in = null;
ByteArrayOutputStream os = null;
try {
// 比如 有包名 二进制文件名：com.learn.classloader.Demo
// 转换为本地路径 com/learnclassloader/Demo.class
name = this.path + name.replaceAll("\\.", "/") + fileType;
File file = new File(name);
os = new ByteArrayOutputStream();
in = new FileInputStream(file);
int tmp = 0;
while ((tmp = in.read()) != -1){
os.write(tmp);
}
// 文件流转为二进制字节流
classData = os.toByteArray();
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}finally {
try {
// 关闭流
if(in != null){
in.close();
}
if(os != null){
os.close();
}
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
return classData;
}
上面三步整合在一起，就实现了一个简单的类加载！ 查看自定义类加载器的全部代码。
/**
* 自定义类加载器
*
* @author:dufyun
* @version:1.0.0
* @date 2019/3/28
*/
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
/**
* 类加载器名称
*/
private String name;
/**
* 自定义加载路径
*/
private String path;
/**
* 自定义加载文件后缀类型
*/
private final String fileType = ".class";
public MyClassLoader(String name,String path){
//让系统类加载器(AppClassLoader)成为该类加载器的父类加载器
super();
this.name = name;
this.path = path;
}
public MyClassLoader(ClassLoader parent,String name,String path){
//显示指定该类的父类加载器
super(parent);
this.name = name;
this.path = path;
}
/**
* 加载我们自己定义的类，通过我们自己定义的类加载器
* @param name 二进制的文件名称
* @return Class实例对象
* @throws ClassNotFoundException
*/
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
//获取class文件的字节数组
byte[] resultData = this.loadByteClassData(name);
return super.defineClass(name, resultData, 0, resultData.length);
}
/**
* 加载指定路径下面的class文件的字节数组
* @param name 二进制文件名称 ，例如：com.learn.classloader.Demo
* @return 二进制字节数组
*/
private byte[] loadByteClassData(String name) {
byte[] classData = null;
InputStream in = null;
ByteArrayOutputStream os = null;
try {
// 比如 有包名 二进制文件名：com.learn.classloader.Demo
// 转换为本地路径 com/learn/classloader/Demo.class
name = this.path + name.replaceAll("\\.", "/") + fileType;
File file = new File(name);
os = new ByteArrayOutputStream();
in = new FileInputStream(file);
int tmp = 0;
while ((tmp = in.read()) != -1){
os.write(tmp);
}
// 文件流转为二进制字节流
classData = os.toByteArray();
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}finally {
try {
// 关闭流
if(in != null){
in.close();
}
if(os != null){
os.close();
}
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
return classData;
}
@Override
public String toString() {
return this.name;
}
}
第五： 简单的测试自定义类加载器！
MyClassLoader myClassLoaderA = new MyClassLoader("aflyun", "F:\\tmp\\");
System.out.println("myClassLoaderA :" + myClassLoaderA.getParent().getClass().getName());
// 设置父类加载器 为null ，启动类加载器
MyClassLoader myClassLoaderB = new MyClassLoader(null, "aflyun", "F:\\tmp\\");
System.out.println("myClassLoaderB :" + myClassLoaderB.getParent());
------------
myClassLoaderA :sun.misc.Launcher$AppClassLoader
myClassLoaderB :null
看到这里，你如果对本篇第一小节理解的话，这里肯定会好奇，MyClassLoader是怎么设置AppClassLoader为父类加载器的，在代码中只写了一个super();系统类加载器(AppClassLoader)成为该类加载器的父类加载器。还是看源码 ,使用super();在初始化的时候调用CLassLoader的构造函数，在此构造函数中有一个getSystemClassLoader()获取的就是 AppClassLoader。
protected ClassLoader() {
this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
}
我们在看一下 getSystemClassLoader()的实现，其中有一个initSystemClassLoader()方法获取到Launcher初始化加载的ClassLoader，然后将此ClassLoader赋值给 ClassLoader类 中的 scl！具体源码如下：
// The class loader for the system
private static ClassLoader scl;
public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
initSystemClassLoader(); // 获取系统初始化的ClassLoader
if (scl == null) {
return null;
}
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
checkClassLoaderPermission(scl, Reflection.getCallerClass());
}
return scl;
}
private static synchronized void initSystemClassLoader() {
if (!sclSet) {
// 省略其他代码.....
sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher();
if (l != null) {
Throwable oops = null;
//从Launcher 中获取ClassLoader也就是 AppClassLoader
scl = l.getClassLoader();
// 省略其他代码.....
}
sclSet = true;
}
}
最后this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());调用了ClassLoader的另一个构造函数，具体看下面源码，比较简单，就不做太多说明了。
// 这段代码上一篇文章就介绍过
private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
this.parent = parent; // 将获取的系统类加载器作为父类加载器，通过getParent()获取！
if (ParallelLoaders.isRegistered(this.getClass())) {
parallelLockMap = new ConcurrentHashMap<>();
// 省略其他代码.....
} else {
// no finer-grained lock; lock on the classloader instance
parallelLockMap = null;
// 省略其他代码.....
}
}
/**
* 获取父类加载器
*/
public final ClassLoader getParent() {
if (parent == null)
return null;
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
checkClassLoaderPermission(parent, Reflection.getCallerClass());
}
return parent;
}
一张图在此说明：当前的类加载器就是自定义类加载器MyClassLoader!
MyClassLoader myClassLoaderA = new MyClassLoader("aflyun", "F:\\tmp\\");
tips1 ：自定义类加载说明
在实现自定义类加载器过程中可以重写findClass 也可以重写loadClass ，但一般建议重写findClass！
tips2 ：自定义类加载器设置了加载路径path，其实之前介绍过的类加载器也有对应的加载路径。
// BootStrapClassLoader
String bootClassPath = System.getProperty("sun.boot.class.path");
// ExtClassLoader
String var0 = System.getProperty("java.ext.dirs");
// AppClassLoader
String var1 = System.getProperty("java.class.path");
三、多案例分析
1、相同两个类文件，名称一样，一个在磁盘F:\tmp\下（无包名）一个工程中（有包名）
F:盘中代码
public class HelloWorld {
public HelloWorld() {
System.out.println("--F: --HelloWorld--" + this.getClass().getClassLoader());
}
}
工程中代码:
package com.learn.classloader;
public class HelloWorld {
public HelloWorld() {
System.out.println("--IDEA --HelloWorld--" + this.getClass().getClassLoader());
}
}
执行类加载代码：
MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader("myClassLoader","F:/tmp/");
Class<?> cls = null;
try {
//加载类文件
cls = myClassLoader.loadClass("HelloWorld");
cls.newInstance();//实例化类。调用构造方法
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
思考一下打印的结果是什么呢？
答案：--F: --HelloWorld--myClassLoader
原因分析：HelloWorld类的class文件只有在F:/tmp/下存在，所以就加载的是F盘下的HelloWorld类文件!
2、相同两个类文件，名称和包名一样，一个在磁盘F:\tmp\，一个在工程中
F:盘中代码
package com.learn.classloader;
public class HelloWorld {
public HelloWorld() {
System.out.println("--F:com.learn.classloader --HelloWorld--" + this.getClass().getClassLoader());
}
}
工程中的代码:
package com.learn.classloader;
public class HelloWorld {
public HelloWorld() {
System.out.println("--IDEA --HelloWorld--" + this.getClass().getClassLoader());
}
}
执行类加载代码：
MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader("myClassLoader","F:/tmp/");
Class<?> cls = null;
try {
cls = myClassLoader.loadClass("com.learn.classloader.HelloWorld");
cls.newInstance();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
思考一下打印的结果是什么呢？
答案：--IDEA --HelloWorld--sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
原因分析：F盘中HelloWorld和工程中的HelloWorld具有一样的包名，并且MyClassLoader没有设置父类加载器，那么默认的父类加载类就是AppClassLoader,根据之前所学的双亲委派模型，HelloWorld类文件会首先被父类加载器加载，也就是被AppClassLoader加载，只要父类加载器加载成功，子类加载器就不会在进行加载！
3、新增一个myClassLoaderB的实例设置父类加载器myClassLoader，加载MyHelloWorld
F: 盘 MyHelloWorld
package com.learn.classloader;
public class MyHelloWorld {
public MyHelloWorld() {
System.out.println("--F:com.learn.classloader --MyHelloWorld--" + this.getClass().getClassLoader());
}
}
D：盘 MyHelloWorld
package com.learn.classloader;
public class MyHelloWorld {
public MyHelloWorld() {
System.out.println("--D:com.learn.classloader --MyHelloWorld--" + this.getClass().getClassLoader());
}
}
此时新增一个myClassLoaderB，加载MyHelloWorld!
加载的代码如下：
MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader("myClassLoader","F:/tmp/");
MyClassLoader myClassLoaderB = new MyClassLoader(myClassLoader,"myClassLoader","D:/tmp/");
Class<?> cls = null;
try {
cls = myClassLoaderB.loadClass("com.learn.classloader.MyHelloWorld");
cls.newInstance();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
思考一下打印的结果是什么呢？
答案：--F:com.learn.classloader --MyHelloWorld--myClassLoader
原因分析：myClassLoaderB父类加载器是myClassLoader,此时在加载 MyHelloWorld,首先会被父类加载器myClassLoader 加载！
4、新增myClassLoaderC设置父类加载器为null（启动类加载器），加载MyHelloWorld！
代码示例和示例3一样！只是修改类加载器！代码如下：
MyClassLoader myClassLoaderC = new MyClassLoader(null,"myClassLoaderC","D:/tmp/");
Class<?> cls = null;
try {
cls = myClassLoaderC.loadClass("com.learn.classloader.MyHelloWorld");
cls.newInstance();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
思考一下打印的结果是什么呢？
答案：--D:com.learn.classloader --MyHelloWorld--myClassLoaderC
原因分析：myClassLoaderC父类加载器是启动类加载器,在启动类加载器中找不到MyHelloWorld,转一圈回来还是需要myClassLoaderC自己去加载！
四、本文总结
本文实现了一个自定义的类加载器，并且通过简单的案例进行讲解和说明，让我们更加深入的了解类加载器的双亲委派模式和实现原理。
对类加载器有了比较深入的学习和思考之后，会对我们以后写Java代码会有一定帮助，并且在遇到一些Java的异常如ClassNotFoundException能够快速知道原因。 其实类加载的知识还有很多，在这里先抛出两个问题：
问题1、Java热部署如何实现 ? 修改一个Java文件后，不需要启动服务，就可以动态生效！ （目前的主流开发工具都支持，如IDEA 在windows下 Ctrl+Shirt+F9，动态编译，动态加载！或者 SpringBoot通过配置devtools实现热部署的原理是什么？）
本质上是更新clas文件内容！ 不需要重新启动服务！
问题2、之前一直提的类加载模式： 双亲模式模式！但是在Tomcat中你知道 WebappClassLoader 的加载机制吗？
说明：WebappClassLoader 会先加载自己的Class ，找不到在委托给parent，破坏双亲委派模式！
后续有时间会去整理，如果你对这两个问题感兴趣，也欢迎在文末留言，一起探讨！
五、参考资料
《JDK API 文档》
《深入理解Java虚拟机》
谢谢你的阅读，如果您觉得这篇博文对你有帮助，请点赞或者喜欢，让更多的人看到！祝你每天开心愉快！
不管做什么，只要坚持下去就会看到不一样！在路上，不卑不亢!
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