Java自定义类加载器与双亲委派模型

骑猪看日落 2021-06-11 15:13 339阅读 0赞

其实，双亲委派模型并不复杂。自定义类加载器也不难！随便从网上搜一下就能搜出一大把结果，然后`copy`一下就能用。但是，如果每次想自定义类加载器就必须搜一遍别人的文章，然后复制，这样显然不行。可是自定义类加载器又不经常用，时间久了容易忘记。相信你经常会记不太清`loadClass`、`findClass`、`defineClass`这些函数我到底应该重写哪一个？它们主要是做什么的？本文大致分析了各个函数的流程，目的就是让你看完之后，难以忘记！或者说，延长你对自定义类加载器的记忆时间！随时随地想自定义就自定义！

# 1. 双亲委派模型 #

关于双亲委派模型，网上的资料有很多。我这里只简单的描述一下，就当是复习。

## 1.1 什么是双亲委派模型？ ##

首先，先要知道什么是类加载器。简单说，类加载器就是根据指定全限定名称将`class`文件加载到`JVM`内存，转为`Class`对象。如果站在`JVM`的角度来看，只存在两种类加载器:

>  *  启动类加载器（`Bootstrap ClassLoader`）：由`C++`语言实现（针对`HotSpot`）,负责将存放在`<JAVA_HOME>\lib`目录或`-Xbootclasspath`参数指定的路径中的类库加载到内存中。
>  *  其他类加载器：由`Java`语言实现，继承自抽象类`ClassLoader`。如：
>     
>      *  扩展类加载器（`Extension ClassLoader`）：负责加载`<JAVA_HOME>\lib\ext`目录或`java.ext.dirs`系统变量指定的路径中的所有类库。
>      *  应用程序类加载器（`Application ClassLoader`）。负责加载用户类路径（`classpath`）上的指定类库，我们可以直接使用这个类加载器。一般情况，如果我们没有自定义类加载器默认就是用这个加载器。

双亲委派模型工作过程是：如果一个类加载器收到类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器完成。每个类加载器都是如此，只有当父加载器在自己的搜索范围内找不到指定的类时（即`ClassNotFoundException`），子加载器才会尝试自己去加载。

![2][]

类加载器的双亲委派模型

## 1.2 为什么需要双亲委派模型？ ##

为什么需要双亲委派模型呢？假设没有双亲委派模型，试想一个场景：

> 黑客自定义一个`java.lang.String`类，该`String`类具有系统的`String`类一样的功能，只是在某个函数稍作修改。比如`equals`函数，这个函数经常使用，如果在这这个函数中，黑客加入一些“病毒代码”。并且通过自定义类加载器加入到`JVM`中。此时，如果没有双亲委派模型，那么`JVM`就可能误以为黑客自定义的`java.lang.String`类是系统的`String`类，导致“病毒代码”被执行。

而有了双亲委派模型，黑客自定义的`java.lang.String`类永远都不会被加载进内存。因为首先是最顶端的类加载器加载系统的`java.lang.String`类，最终自定义的类加载器无法加载`java.lang.String`类。

或许你会想，我在自定义的类加载器里面强制加载自定义的`java.lang.String`类，不去通过调用父加载器不就好了吗?确实，这样是可行。但是，在`JVM`中，判断一个对象是否是某个类型时，如果该对象的实际类型与待比较的类型的类加载器不同，那么会返回false。

举个简单例子：

> `ClassLoader1`、`ClassLoader2`都加载`java.lang.String`类，对应Class1、Class2对象。那么`Class1`对象不属于`ClassLoad2`对象加载的`java.lang.String`类型。

## 1.3 如何实现双亲委派模型？ ##

双亲委派模型的原理很简单，实现也简单。每次通过先委托父类加载器加载，当父类加载器无法加载时，再自己加载。其实`ClassLoader`类默认的`loadClass`方法已经帮我们写好了，我们无需去写。

# 2. 自定义类加载器 #

# 2. 1几个重要函数 #

### 2.1.1 loadClass ###

`loadClass`默认实现如下：

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            return loadClass(name, false);
    }

再看看`loadClass(String name, boolean resolve)`函数：

![复制代码][copycode.gif]

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                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.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);
    
                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

![复制代码][copycode.gif]

从上面代码可以明显看出，`loadClass(String, boolean)`函数即实现了双亲委派模型！整个大致过程如下：

> 1.  首先，检查一下指定名称的类是否已经加载过，如果加载过了，就不需要再加载，直接返回。
> 2.  如果此类没有加载过，那么，再判断一下是否有父加载器；如果有父加载器，则由父加载器加载（即调用`parent.loadClass(name, false);`）.或者是调用`bootstrap`类加载器来加载。
> 3.  如果父加载器及`bootstrap`类加载器都没有找到指定的类，那么调用当前类加载器的`findClass`方法来完成类加载。

话句话说，如果自定义类加载器，就必须重写`findClass`方法！

### 2.1.1 find Class ###

`findClass`的默认实现如下：

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            throw new ClassNotFoundException(name);
    }

可以看出，抽象类`ClassLoader`的`findClass`函数默认是抛出异常的。而前面我们知道，`loadClass`在父加载器无法加载类的时候，就会调用我们自定义的类加载器中的`findeClass`函数，因此我们必须要在`loadClass`这个函数里面实现将一个指定类名称转换为`Class`对象.

如果是是读取一个指定的名称的类为字节数组的话，这很好办。但是如何将字节数组转为`Class`对象呢？很简单，`Java`提供了`defineClass`方法，通过这个方法，就可以把一个字节数组转为Class对象啦~

### 2.1.1 defineClass ###

`defineClass`主要的功能是：

> 将一个字节数组转为`Class`对象，这个字节数组是`class`文件读取后最终的字节数组。如，假设`class`文件是加密过的，则需要解密后作为形参传入`defineClass`函数。

`defineClass`默认实现如下：

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
            throws ClassFormatError  {
            return defineClass(name, b, off, len, null);
    }

## 2.2 函数调用过程 ##

上一节所提的函数调用过程如下：

![2 1][]

自定义函数调用过程

## 2.3 简单示例 ##

首先，我们定义一个待加载的普通`Java`类:`Test.java`。放在`com.huachao.cl`包下:

![复制代码][copycode.gif]

package com.huachao.cl;
    
    public class Test {
        public void hello() {
            System.out.println("恩，是的，我是由 " + getClass().getClassLoader().getClass()
                    + " 加载进来的");
        }
    }

![复制代码][copycode.gif]

注意：

> 如果你是直接在当前项目里面创建，待`Test.java`编译后，请把`Test.class`文件拷贝走，再将`Test.java`删除。因为如果`Test.class`存放在当前项目中，根据双亲委派模型可知，会通过`sun.misc.Launcher$AppClassLoader` 类加载器加载。为了让我们自定义的类加载器加载，我们把Test.class文件放入到其他目录。

在本例中，我们Test.class文件存放的目录如下：

![2 2][]

class文件目录

接下来就是自定义我们的类加载器：

![复制代码][copycode.gif]

import java.io.FileInputStream;
    import java.lang.reflect.Method;
    
    public class Main {
        static class MyClassLoader extends ClassLoader {
            private String classPath;
    
            public MyClassLoader(String classPath) {
                this.classPath = classPath;
            }
    
            private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
                name = name.replaceAll("\\.", "/");
                FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name
                        + ".class");
                int len = fis.available();
                byte[] data = new byte[len];
                fis.read(data);
                fis.close();
                return data;
    
            }
    
            protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    byte[] data = loadByte(name);
                    return defineClass(name, data, 0, data.length);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                    throw new ClassNotFoundException();
                }
            }
    
        };
    
        public static void main(String args[]) throws Exception {
            MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
            Class clazz = classLoader.loadClass("com.huachao.cl.Test");
            Object obj = clazz.newInstance();
            Method helloMethod = clazz.getDeclaredMethod("hello", null);
            helloMethod.invoke(obj, null);
        }
    }

![复制代码][copycode.gif]

最后运行结果如下：

恩，是的，我是由 class Main$MyClassLoader 加载进来的

[2]: /images/20210527/9271734ce8dd41fa9b148af1c179506e.png
[copycode.gif]: /images/20210527/0315b5c566464e91a9d3eaa6cd685ab0.png
[2 1]: /images/20210527/b9ff6068cfc94f319ce79f9f08b2b076.png
[2 2]: /images/20210527/cfab72bdefef4ed6ba7f11b1375db5ab.png