Klasslastare i Java

1. Introduktion till klasslastare

Klasslastare ansvarar för att ladda Java-klasser under körning dynamiskt till JVM (Java Virtual Machine). De är också en del av JRE (Java Runtime Environment). Därför behöver JVM inte veta om de underliggande filerna eller filsystemen för att kunna köra Java-program tack vare klassladdare.

Dessa Java-klasser laddas inte in i minnet samtidigt, utan när det krävs av ett program. Det är här klasslastare kommer in i bilden. De ansvarar för att ladda klasser i minnet.

I den här handledningen ska vi prata om olika typer av inbyggda klasslastare, hur de fungerar och en introduktion till vår egen anpassade implementering.

2. Typer av inbyggda klasslastare

Låt oss börja med att lära oss hur olika klasser laddas med olika klasslastare med ett enkelt exempel:

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()); }

När ovanstående metod utförs skrivs ut:

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

Som vi kan se finns det tre olika klasslastare här; applikation, tillägg och bootstrap (visas som null ).

Programklassladdaren laddar klassen där exempelmetoden finns. En applikations- eller systemklassladdare laddar våra egna filer i klassvägen.

Därefter laddar tillägget loggningsklassen . Tilläggsklasslastare laddar klasser som är en förlängning av de vanligaste Java-klasserna.

Slutligen laddar bootstrap en ArrayList- klassen. En bootstrap eller primordial class loader är förälder till alla andra.

Vi kan dock se att det sista ut, för ArrayList visar det null i utdata. Detta beror på att bootstrap-klassladdaren är skriven i inbyggd kod, inte Java - så den visas inte som en Java-klass. På grund av denna anledning kommer beteendet hos bootstrap-klasslastaren att skilja sig åt mellan JVM: er.

Låt oss nu diskutera mer i detalj om var och en av dessa klasslastare.

2.1. Bootstrap Class Loader

Java-klasser laddas av en instans av java.lang.ClassLoader . Klasslastare är dock klasser själva. Därför är frågan, som laddar java.lang.Classloader själv ?

Det är här bootstrap eller primordial class loader kommer in i bilden.

Det är huvudsakligen ansvarigt för att ladda JDK interna klasser, vanligtvis rt.jar och andra kärnbibliotek som finns i $ JAVA_HOME / jre / lib katalogen . Dessutom fungerar Bootstrap-klasslastaren som förälder till alla andra ClassLoader- instanser .

Denna bootstrap-klasslastare är en del av JVM-kärnan och är skriven i inbyggd kod som påpekas i exemplet ovan. Olika plattformar kan ha olika implementeringar av just den här klasslastaren.

2.2. Extension Class Loader

Den förlängnings klassen lastaren är ett barn av bootstrap klassladdaren och tar hand om lastning förlängningarna av de vanliga kärn Java-klasser så att det är tillgängligt för alla applikationer som körs på plattformen.

Tilläggsklassens laddare laddas från JDK-tilläggskatalogen, vanligtvis $ JAVA_HOME / lib / ext- katalogen eller någon annan katalog som nämns i java.ext.dirs systemegenskap .

2.3. Systemklassladdare

Systemet eller applikationsklassladdaren å andra sidan tar hand om att ladda alla klasser på applikationsnivå i JVM. Den laddar filer som finns i klassstigets miljövariabel, -classpath eller -cp kommandoradsalternativ . Det är också ett barn av Extensions classloader.

3. Hur fungerar klasslastare?

Klasslastare är en del av Java Runtime Environment. När JVM begär en klass försöker klassläsaren att hitta klassen och läsa in klassdefinitionen i körtiden med det fullständigt kvalificerade klassnamnet.

Den java.lang.ClassLoader.loadClass () metod är ansvarig för laddning av klassdefinitionen i runtime . Det försöker ladda klassen baserat på ett fullt kvalificerat namn.

Om klassen inte redan har laddats delegerar den begäran till den överordnade klassladdaren. Denna process sker rekursivt.

Så småningom, om föräldraklassladdaren inte hittar klassen, kommer barnklassen att ringa java.net.URLClassLoader.findClass () -metoden för att leta efter klasser i själva filsystemet.

Om den sista underklasslastaren inte kan ladda klassen heller, kastar den java.lang.NoClassDefFoundError eller java.lang.ClassNotFoundException.

Låt oss titta på ett exempel på utdata när ClassNotFoundException kastas.

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)

Om vi ​​går igenom sekvensen av händelser direkt från att ringa java.lang.Class.forName () , kan vi förstå att det först försöker ladda klassen genom överordnad klassladdare och sedan java.net.URLClassLoader.findClass () för att leta efter själva klassen.

När det fortfarande inte hittar klassen, kastar det ett ClassNotFoundException.

Det finns tre viktiga funktioner i klasslastare.

3.1. Delegationsmodell

Klasslastare följer delegeringsmodellen där en ClassLoader- instans på begäran för att hitta en klass eller resurs delegerar sökningen av klassen eller resursen till den överordnade klasslastaren .

Låt oss säga att vi har en begäran om att ladda en applikationsklass i JVM. Systemklassladdaren delegerar först laddningen av den klassen till sin överordnade klassladdare som i sin tur delegerar den till bootstrap-klassladdaren.

Endast om bootstrap och sedan tilläggsklassladdaren inte lyckas ladda klassen, försöker systemklassladdaren att ladda själva klassen.

3.2. Unika klasser

Som en konsekvens av delegeringsmodellen är det enkelt att säkerställa unika klasser eftersom vi alltid försöker delegera uppåt .

Om den överordnade klasslastaren inte kan hitta klassen, försöker den nuvarande instansen göra det själv.

3.3. Synlighet

Dessutom är barnklasslastare synliga för klasser som laddas av dess överordnade klasslastare .

For instance, classes loaded by the system class loader have visibility into classes loaded by the extension and Bootstrap class loaders but not vice-versa.

To illustrate this, if Class A is loaded by an application class loader and class B is loaded by the extensions class loader, then both A and B classes are visible as far as other classes loaded by Application class loader are concerned.

Class B, nonetheless, is the only class visible as far as other classes loaded by the extension class loader are concerned.

4. Custom ClassLoader

The built-in class loader would suffice in most of the cases where the files are already in the file system.

However, in scenarios where we need to load classes out of the local hard drive or a network, we may need to make use of custom class loaders.

In this section, we'll cover some other uses cases for custom class loaders and we'll demonstrate how to create one.

4.1. Custom Class Loaders Use-Cases

Custom class loaders are helpful for more than just loading the class during runtime, a few use cases might include:

  1. Helping in modifying the existing bytecode, e.g. weaving agents
  2. Creating classes dynamically suited to the user's needs. e.g in JDBC, switching between different driver implementations is done through dynamic class loading.
  3. Implementing a class versioning mechanism while loading different bytecodes for classes with same names and packages. This can be done either through URL class loader (load jars via URLs) or custom class loaders.

There are more concrete examples where custom class loaders might come in handy.

Browsers, for instance, use a custom class loader to load executable content from a website. A browser can load applets from different web pages using separate class loaders. The applet viewer which is used to run applets contains a ClassLoader that accesses a website on a remote server instead of looking in the local file system.

And then loads the raw bytecode files via HTTP, and turns them into classes inside the JVM. Even if these applets have the same name, they are considered as different components if loaded by different class loaders.

Now that we understand why custom class loaders are relevant, let's implement a subclass of ClassLoader to extend and summarise the functionality of how the JVM loads classes.

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.

Vi pratade om olika typer av klasslastare, nämligen Bootstrap, Extensions och System class loaders. Bootstrap fungerar som förälder för dem alla och ansvarar för att ladda de interna JDK-klasserna. Tillägg och system laddar å andra sidan klasser från Java-tilläggskatalogen respektive klassvägen.

Sedan pratade vi om hur klasslastare fungerar och vi diskuterade några funktioner som delegering, synlighet och unikhet följt av en kort förklaring av hur man skapar en anpassad. Slutligen gav vi en introduktion till Context class-lastare.

Kodprover finns som alltid på GitHub.