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Java虚拟机(JVM)的动态类加载(Class Loading)

原创 Linux操作系统 作者:dinner1007 时间:2019-02-13 08:39:05 0 删除 编辑
Java虚拟机(JVM)的动态类加载(Class Loading)
1.介绍

Class Loaders是动态加载Java类与Resource的一种机制。它支持Laziness,type-safe linkage,user-defined extensibility和multiple communicating namespaces这4种特性。

l Lazy loading:Class只有在需要的时候才加载。这样减少了内存使用量,能提高系统反映速度;

l Type-safe linkage:动态类加载不会破坏JVM的类型安全;

l User-definable class loading policy:开发者可以自定义的类加载器,控制动态类加载过程;

l Multiple namespaces:JVM允许使用不同的类加载器加载相同的Class名称,但不同内容的类。

Class Loaders早在JDK1.0时就已存在,最开始的目的是使HotJava浏览器能加载Applet。从那以后,动态类加载机制被广泛应用到其他方面,例如web application server中Servlets的加载。class loader在JDK 1.0,1.1版本存在的缺陷,已经在JDK 1.2解决,其缺陷主要是编写不正确的Class Loader会造成类型安全问题。

2.Class Loaders

Class Loader的目的是动态加载Java类和Resource。Java类是平台无关的,标准的,具有规范二进制文件格式的。class文件有编译器生成,可以被任何一中JVM加载。Java类的表现形式不仅只有.class文件,还可以为内存buffer,或是网络数据流。

JVM执行class文件内的Byte code。但是Byte code不是class文件的全部内容,class文件内还包含符号表,表示类,属性和方法名,以及类内引用到其他类,属性,和方法名。例如下面的类

class C{

void f(){

D d=new D();

}

}

类文件内类C引用D。为了能让JVM知道D类是什么,JVM必须要先load D的class file并创建D class对象。

JVM使用类加载器加载类文件,并创建Class对象。类加载器都是ClassLoader的子类实例。ClassLoader.loadClass方法通过获得一个类名,返回一个Class对象,表示该类的类型。上面的代码里,假设C被类加载器L加载,则L是C的加载器。JVM将使用L加载所有被C引用到的其他Java类。

如果D还没有被加载,L将加载D:

L.loadClass(“D”)

当D已经被加载,JVM就可以创建D的一个对象实例。

一个Java应用程序可以使用不同类型的类加载器。例如Web Application Server中,Servlet的加载使用开发商自定义的类加载器, java.lang.String在使用JVM系统加载器,Bootstrap Class Loader,开发商定义的其他类则由AppClassLoader加载。在JVM里由类名和类加载器区别不同的Java类型。因此,JVM允许我们使用不同的加载器加载相同namespace的java类,而实际上这些相同namespace的java类可以是完全不同的类。这种机制可以保证JDK自带的java.lang.String是唯一的。

ClassLoader子类需要重载loadClass方法以实现用户自己的类加载方式,下面是自定义一个类加载器例子:

package org.colimas.webapp;



import java.io.File;

import java.io.IOException;

import java.net.URL;

import java.net.URLClassLoader;

import java.util.StringTokenizer;





/**

*类加载器加载Servlet,URLClassLoader是ClassLoader的一个子类,可以通过URL加载Java类或其它资源。

* @author 趙磊

*

*/

public class WebAppClassLoader extends URLClassLoader {



private ClassLoader _parent;



public WebAppClassLoader(ClassLoader parent) {

super(new URL[0], parent);

_parent=parent;

if (parent==null)

throw new IllegalArgumentException("no parent classloader!");

}

//追加一个Class Path。

public void addClassPath(String classPath) throws IOException{

if (classPath == null)

return;

StringTokenizer tokenizer= new StringTokenizer(classPath, ",;");

while (tokenizer.hasMoreTokens())

{

URL url=null;

File file=new File(tokenizer.nextToken()).getCanonicalFile();

url=file.toURI().toURL();

addURL(url);

}

}

//加载类

public synchronized Class loadClass(String name)

throws ClassNotFoundException {



return loadClass(name,false);

}



protected synchronized Class loadClass(String name, boolean resolve)

throws ClassNotFoundException {



Class c= findLoadedClass(name);



ClassNotFoundException ex= null;





if (c == null && _parent!=null ){



try{



c= _parent.loadClass(name);



}catch (ClassNotFoundException e){

ex= e;



}



}



if (c == null){



try{

c= this.findSystemClass(name);



}catch (ClassNotFoundException e){



ex= e;



}



}



if (c == null)



throw ex;







if (resolve)



resolveClass(c);



return c;

}

}

loadClass方法中使用findLoadedClass方法检查类是否已经被加载。该方法是Native方法,实现在JVM的ClassLoader.c文件内的Java_java_lang_ClassLoader_findLoadedClass函数。如果返回为null,则表示类还没有被加载,于是在其Parent类加载器重寻找_parent.loadClass,如果仍然返回null,则要在系统中查找,findSystemClass,如果仍然没有,则抛出异常。我们要确保多线程在同一时间只能加载一次,因此需要synchronized。

通常我们需要动态更新一个Class。例如一个Servlet实现发生变化时,我们希望不是重启服务器而是Reload。下面的类ServletWrapper提供了一个Servlet Reload的实现方法:

package org.colimas.webapp;



import javax.servlet.Servlet;

import javax.servlet.ServletConfig;

import javax.servlet.ServletException;



/**

* @author 趙磊

*

*/

public class ServletWrapper {



private Servlet theServlet;

private Class servletClass;

private ServletConfig config;

private String _servletname;



public ServletWrapper(ServletConfig config){

this.config=config;

}



public Servlet getServlet() throws ServletException{

synchronized (this) {



destroy();



try {



WebAppClassLoader loader=new WebAppClassLoader(this.getClass().getClassLoader());

String name=getServletName();

servletClass = loader.loadClass(name);



theServlet = (Servlet) servletClass.newInstance();





} catch( ClassNotFoundException ex1 ) {



} catch( InstantiationException ex ) {



}catch(IllegalAccessException ex2){



}



theServlet.init(config);

}

return theServlet;

}

public void destroy() {

if (theServlet != null) {

theServlet.destroy();

}

}



protected String getServletName(){

return _servletname;

}

}

getServlet()获得一个Servlet对象。首先创建一个新的Servlet类加载器。loader.loadClass加载最新的Servlet,servletClass.newInstance()实例化新的Servlet对象,并theServlet.init(config);让它运行起来。这种方法只有在不改变Servlet的接口时有效的。如果你要加载的类不实现任何接口,那么就不能在ServletWrapper直接使用该类名。而是定义为Object theServlet,并且theServlet = servletClass.newInstance();,而theServlet.init(config);也不得不改写为:

Method m= servletClass.getMethod(“init”,…);

m.invoke(theServlet,…);



3. Type-safe Linkage和Namespace一致性



JVM使用loaded class cache保存class名和加载该class的类加载器。当JVM通过loadClass获得class之后,它执行以下操作:

l 检查传给loadClass的类名是否和真实类名一致;

l 如果一致,则保存到loaded class cache里。

ClassLoader.findLoadedClass就是在loaded class cache查找class是否存在的。

为了保证Type-safe,Sun公司做了很多工作,目前也有不止一个解决方案。例如,增加约束规则(Contraint Rule)等。

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