Завантажувачі класів на Java

1. Вступ до навантажувачів класів

Клас навантажувачі відповідають за завантаження класів Java під час виконання динамічно в JVM (Java Virtual Machine). Крім того, вони є частиною JRE (Java Runtime Environment). Отже, JVM не потрібно знати про базові файли або файлові системи, щоб запускати програми Java завдяки завантажувачам класів.

Крім того, ці класи Java завантажуються не в пам'ять відразу, а коли це вимагає програма. Ось тут з’являються навантажувачі класу. Вони відповідають за завантаження класів в пам’ять.

У цьому підручнику ми поговоримо про різні типи вбудованих завантажувачів класів, як вони працюють та вступ до нашої власної реалізації.

2. Типи вбудованих навантажувачів класу

Почнемо з вивчення того, як різні класи завантажуються за допомогою різних завантажувачів класів, на простому прикладі:

public void printClassLoaders() throws ClassNotFoundException { System.out.println("Classloader of this class:" + PrintClassLoader.class.getClassLoader()); System.out.println("Classloader of Logging:" + Logging.class.getClassLoader()); System.out.println("Classloader of ArrayList:" + ArrayList.class.getClassLoader()); }

При виконанні вищезгаданого методу друкується:

Class loader of this class:[email protected] Class loader of Logging:[email protected] Class loader of ArrayList:null

Як бачимо, тут є три навантажувачі різних класів; додаток, розширення та завантажувальний файл (відображається як нульовий ).

Завантажувач класу додатків завантажує клас, де міститься приклад методу. Завантажувач класу програми або системи завантажує наші власні файли в шлях до класу.

Далі розширення завантажує клас реєстрації . Навантажувачі класів розширень завантажують класи, які є продовженням стандартних основних класів Java.

Нарешті, завантажувальний файл завантажує клас ArrayList . Завантажувач початкового завантажувача класу є батьківським для всіх інших.

Однак ми можемо бачити, що останній вихід, для ArrayList він відображає нуль у вихідних даних. Це пояснюється тим, що завантажувач класу bootstrap написаний у власному коді, а не на Java - тому він не відображається як клас Java. З цієї причини поведінка завантажувача класу bootstrap буде відрізнятися в різних JVM.

Давайте тепер детальніше обговоримо кожен із цих навантажувачів класу.

2.1. Завантажувач класу Bootstrap

Класи Java завантажуються екземпляром java.lang.ClassLoader . Однак навантажувачі класів - це самі класи. Отже, питання в тому, хто завантажує java.lang.Classloader сам ?

Тут в картину входить завантажувальний ремінь або завантажувач первинного класу.

Він головним чином відповідає за завантаження внутрішніх класів JDK, як правило, rt.jar та інших основних бібліотек, розташованих у каталозі $ JAVA_HOME / jre / lib . Крім того, завантажувач класу Bootstrap служить батьківським для всіх інших екземплярів ClassLoader .

Цей завантажувач класу bootstrap є частиною основного JVM і написаний у власному коді, як зазначено у наведеному вище прикладі. Різні платформи можуть мати різні реалізації цього конкретного завантажувача класу.

2.2. Навантажувач класу розширень

Завантажувач класів розширень є потомком завантажувача класу bootstrap і піклується про завантаження розширень стандартних основних класів Java, щоб він був доступний для всіх програм, що працюють на платформі.

Завантажувач класів розширень завантажується з каталогу розширень JDK, як правило, $ JAVA_HOME / lib / ext каталог або будь-який інший каталог, згаданий у властивості системи java.ext.dirs .

2.3. Завантажувач системного класу

З іншого боку, завантажувач класу системи або класу додатків дбає про завантаження всіх класів рівня додатків у JVM. Він завантажує файли, знайдені у змінній середовища classpath, опції командного рядка -classpath або -cp . Крім того, це нащадок завантажувача класів Extensions.

3. Як працюють навантажувачі класів?

Завантажувачі класів є частиною середовища виконання Java. Коли JVM запитує клас, завантажувач класу намагається знайти клас і завантажити визначення класу в середовище виконання за допомогою повного імені класу.

Метод java.lang.ClassLoader.loadClass () відповідає за завантаження визначення класу в середовище виконання . Він намагається завантажити клас на основі повноцінного імені.

Якщо клас ще не завантажений, він делегує запит на завантажувач батьківського класу. Цей процес відбувається рекурсивно.

Зрештою, якщо навантажувач батьківського класу не знаходить клас, тоді дочірній клас буде викликати метод java.net.URLClassLoader.findClass () для пошуку класів у самій файловій системі.

Якщо останній завантажувач дочірнього класу також не може завантажити клас, він видає java.lang.NoClassDefFoundError або java.lang.ClassNotFoundException.

Давайте подивимось на приклад виводу, коли викидається ClassNotFoundException.

java.lang.ClassNotFoundException: com.baeldung.classloader.SampleClassLoader at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:381) at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424) at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357) at java.lang.Class.forName0(Native Method) at java.lang.Class.forName(Class.java:348)

Якщо ми проходимо послідовність подій безпосередньо із виклику java.lang.Class.forName () , ми можемо зрозуміти, що він спочатку намагається завантажити клас через завантажувач батьківського класу, а потім java.net.URLClassLoader.findClass () шукати сам клас.

Коли він все ще не знаходить клас, він видає ClassNotFoundException.

Існує три важливі особливості навантажувачів класу.

3.1. Модель делегування

Завантажувачі класів слідують моделі делегування, де на запит на пошук класу або ресурсу екземпляр ClassLoader делегує пошук класу або ресурсу навантажувачу батьківського класу .

Скажімо, у нас є запит на завантаження класу програми в JVM. Завантажувач системного класу спочатку делегує завантаження цього класу своєму батьківському завантажувачу класів розширень, який, у свою чергу, делегує його завантажувачу класу bootstrap.

Тільки якщо завантажувальний клас не вдається завантажити клас, а потім завантажувач класу розширення, завантажувач класу системи намагається завантажити сам клас.

3.2. Унікальні класи

Як наслідок моделі делегування, легко забезпечити унікальні класи, оскільки ми завжди намагаємось делегувати вгору .

Якщо навантажувач батьківського класу не може знайти клас, лише тоді поточний екземпляр спробує зробити це сам.

3.3. Видимість

Крім того, навантажувачі дочірнього класу видимі для класів, завантажених навантажувачами батьківського класу .

Наприклад, класи, завантажені навантажувачем системних класів, мають видимість класів, завантажених завантажувачами розширень та Bootstrap, але не навпаки.

Щоб проілюструвати це, якщо клас A завантажується навантажувачем класу програми, а клас B завантажується навантажувачем класу розширень, тоді як класи A, так і B видно, що стосується інших класів, завантажених завантажувачем класу Application.

Тим не менше, клас B є єдиним видимим для інших класів, завантажених завантажувачем класу розширення.

4. Спеціальний ClassLoader

Вбудованого завантажувача класів вистачить у більшості випадків, коли файли вже перебувають у файловій системі.

Однак у сценаріях, коли нам потрібно завантажувати класи з локального жорсткого диска або мережі, нам, можливо, доведеться використовувати користувальницькі завантажувачі класів.

У цьому розділі ми розглянемо деякі інші випадки використання завантажувачів спеціального класу та продемонструємо, як їх створити.

4.1. Випадки використання навантажувачів на замовлення

Завантажувачі спеціальних класів корисні не лише для завантаження класу під час виконання, але декілька випадків використання можуть включати:

  1. Допомога у зміні існуючого байт-коду, наприклад, ткацьких агентів
  2. Створення класів, які динамічно відповідають потребам користувача. наприклад, у JDBC, перемикання між різними реалізаціями драйверів здійснюється за допомогою динамічного завантаження класу.
  3. Впровадження механізму управління версіями класів під час завантаження різних байт-кодів для класів з однаковими іменами та пакетами. Це можна зробити за допомогою завантажувача класу URL (завантаження банок за допомогою URL-адрес) або завантажувачів спеціальних класів.

Є більш конкретні приклади, коли навантажувачі на замовлення можуть стати в нагоді.

Наприклад, браузери використовують завантажувач власних класів для завантаження виконуваного вмісту з веб-сайту. Браузер може завантажувати аплети з різних веб-сторінок за допомогою окремих завантажувачів класів. Засіб перегляду аплетів, що використовується для запуску аплетів, містить ClassLoader, який звертається до веб-сайту на віддаленому сервері, а не шукає локальну файлову систему.

А потім завантажує необроблені файли байт-коду через HTTP і перетворює їх на класи всередині JVM. Навіть якщо ці аплети мають однакову назву, вони розглядаються як різні компоненти, якщо завантажуються завантажувачами різних класів .

Тепер, коли ми зрозуміли, чому навантажувачі спеціальних класів актуальні, давайте реалізуємо підклас ClassLoader, щоб розширити та узагальнити функціональність того, як JVM завантажує класи.

4.2. Creating Our Custom Class Loader

For illustration purposes, let's say we need to load classes from a file using a custom class loader.

We need to extend the ClassLoader class and override the findClass() method:

public class CustomClassLoader extends ClassLoader { @Override public Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException { byte[] b = loadClassFromFile(name); return defineClass(name, b, 0, b.length); } private byte[] loadClassFromFile(String fileName) { InputStream inputStream = getClass().getClassLoader().getResourceAsStream( fileName.replace('.', File.separatorChar) + ".class"); byte[] buffer; ByteArrayOutputStream byteStream = new ByteArrayOutputStream(); int nextValue = 0; try { while ( (nextValue = inputStream.read()) != -1 ) { byteStream.write(nextValue); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } buffer = byteStream.toByteArray(); return buffer; } }

In the above example, we defined a custom class loader that extends the default class loader and loads a byte array from the specified file.

5. Understanding java.lang.ClassLoader

Let's discuss a few essential methods from the java.lang.ClassLoader class to get a clearer picture of how it works.

5.1. The loadClass() Method

public Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {

This method is responsible for loading the class given a name parameter. The name parameter refers to the fully qualified class name.

The Java Virtual Machine invokes loadClass() method to resolve class references setting resolve to true. However, it isn't always necessary to resolve a class. If we only need to determine if the class exists or not, then resolve parameter is set to false.

This method serves as an entry point for the class loader.

We can try to understand the internal working of the loadClass() method from the source code of java.lang.ClassLoader:

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. c = findClass(name); } } if (resolve) { resolveClass(c); } return c; } }

The default implementation of the method searches for classes in the following order:

  1. Invokes the findLoadedClass(String) method to see if the class is already loaded.
  2. Invokes the loadClass(String) method on the parent class loader.
  3. Invoke the findClass(String) method to find the class.

5.2. The defineClass() Method

protected final Class defineClass( String name, byte[] b, int off, int len) throws ClassFormatError

This method is responsible for the conversion of an array of bytes into an instance of a class. And before we use the class, we need to resolve it.

In case data didn't contain a valid class, it throws a ClassFormatError.

Also, we can't override this method since it's marked as final.

5.3. The findClass() Method

protected Class findClass( String name) throws ClassNotFoundException

This method finds the class with the fully qualified name as a parameter. We need to override this method in custom class loader implementations that follow the delegation model for loading classes.

Also, loadClass() invokes this method if the parent class loader couldn't find the requested class.

The default implementation throws a ClassNotFoundException if no parent of the class loader finds the class.

5.4. The getParent() Method

public final ClassLoader getParent()

This method returns the parent class loader for delegation.

Some implementations like the one seen before in Section 2. use null to represent the bootstrap class loader.

5.5. The getResource() Method

public URL getResource(String name)

This method tries to find a resource with the given name.

It will first delegate to the parent class loader for the resource. If the parent is null, the path of the class loader built into the virtual machine is searched.

If that fails, then the method will invoke findResource(String) to find the resource. The resource name specified as an input can be relative or absolute to the classpath.

It returns an URL object for reading the resource, or null if the resource could not be found or if the invoker doesn't have adequate privileges to return the resource.

It's important to note that Java loads resources from the classpath.

Finally, resource loading in Java is considered location-independent as it doesn't matter where the code is running as long as the environment is set to find the resources.

6. Context Classloaders

In general, context class loaders provide an alternative method to the class-loading delegation scheme introduced in J2SE.

Like we've learned before, classloaders in a JVM follow a hierarchical model such that every class loader has a single parent with the exception of the bootstrap class loader.

However, sometimes when JVM core classes need to dynamically load classes or resources provided by application developers, we might encounter a problem.

For example, in JNDI the core functionality is implemented by bootstrap classes in rt.jar. But these JNDI classes may load JNDI providers implemented by independent vendors (deployed in the application classpath). This scenario calls for the bootstrap class loader (parent class loader) to load a class visible to application loader (child class loader).

J2SE delegation doesn't work here and to get around this problem, we need to find alternative ways of class loading. And it can be achieved using thread context loaders.

The java.lang.Thread class has a method getContextClassLoader() that returns the ContextClassLoader for the particular thread. The ContextClassLoader is provided by the creator of the thread when loading resources and classes.

If the value isn't set, then it defaults to the class loader context of the parent thread.

7. Conclusion

Class loaders are essential to execute a Java program. We've provided a good introduction as part of this article.

Ми говорили про різні типи навантажувачів класу, а саме - завантажувачі Bootstrap, Extensions та System. Bootstrap служить батьківським для всіх них і відповідає за завантаження внутрішніх класів JDK. З іншого боку, розширення та система завантажує класи з каталогу розширень Java та шляху до класів відповідно.

Потім ми поговорили про те, як працюють навантажувачі класів, і обговорили деякі особливості, такі як делегування, видимість та унікальність, а потім коротке пояснення, як створити власний. Нарешті, ми запропонували вступ до завантажувачів класу Context.

Зразки коду, як завжди, можна знайти на GitHub.