Заредители на клас в Java

Програмиране

1. Въведение в Class Loaders

Зареждащите класове са отговорни за зареждането на Java класове по време на изпълнение динамично в JVM (Java Virtual Machine). Също така те са част от JRE (Java Runtime Environment). Следователно JVM не трябва да знае за основните файлове или файлови системи, за да стартира Java програми благодарение на зареждащите класове.

Освен това тези Java класове не се зареждат в паметта наведнъж, а когато се изисква от приложение. Това е мястото, където класните товарачи влизат в картината. Те са отговорни за зареждането на класове в паметта.

В този урок ще говорим за различни видове вградени зареждачи на класове, как работят и въведение в нашето собствено изпълнение.

2. Видове вградени клас товарачи

Нека започнем, като научим как се зареждат различни класове с помощта на различни зареждащи класове, като използваме прост пример:

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 изпълнение на горния метод се отпечатва:

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

Както виждаме, тук има три товарачи от различен клас; приложение, разширение и bootstrap (показва се като null ).

Зареждащият клас на приложения зарежда класа, в който се съдържа примерният метод. Зареждане на приложение или системен клас зарежда нашите собствени файлове в пътя на класа.

След това разширението зарежда класа Logging . Класовете за зареждане на разширения зареждат класове, които са разширение на стандартните основни Java класове.

И накрая, bootstrap зарежда класа ArrayList . Буутстрап или първоначален зареждащ клас е родител на всички останали.

Въпреки това можем да видим, че последният изход, за ArrayList , показва нула в изхода. Това е така, защото зареждащият клас на bootstrap е написан в собствен код, а не в Java - така че не се показва като Java клас. Поради тази причина поведението на зареждащия клас bootstrap ще се различава в различните JVM.

Нека сега да обсъдим по-подробно за всеки от тези товарачи от клас.

2.1. Bootstrap Class Loader

Java класовете се зареждат от екземпляр на java.lang.ClassLoader . Класовете за зареждане обаче са самите класове. Следователно, въпросът е, кой зарежда java.lang.Classloader самата ?

Тук в картината влиза буутстрапа или първоначалния зареждащ клас.

Той е отговорен главно за зареждането на вътрешни класове на JDK, обикновено rt.jar и други основни библиотеки, намиращи се в директорията $ JAVA_HOME / jre / lib . Освен това, за първоначално зареждане клас товарач служи като майка на всички останали ClassLoader инстанции .

Този зареждащ клас на bootstrap е част от основната JVM и е написан в собствен код, както е посочено в горния пример. Различните платформи могат да имат различни изпълнения на този конкретен клас за зареждане.

2.2. Разширителен клас Loader

Най- товарач разширение клас е дете на товарача фърмуера клас и се грижи за зареждането на продълженията на стандартни основни Java класове , така че да е на разположение за всички приложения, работещи на платформата.

Зареждачът на клас на разширения се зарежда от директорията с разширения JDK, обикновено $ JAVA_HOME / lib / ext директория или друга директория, спомената в системното свойство java.ext.dirs .

2.3. Зареждане на системен клас

Системата за зареждане или клас на приложение, от друга страна, се грижи за зареждането на всички класове на ниво приложение в JVM. Той зарежда файлове, намерени в променливата на средата classpath, опцията -classpath или -cp команден ред . Също така, това е дъщеря на Exloadions classloader.

3. Как работят класните товарачи?

Зареждащите клас са част от Java Runtime Environment. Когато JVM поиска клас, зареждащият клас се опитва да намери класа и да зареди дефиницията на класа в изпълнението, използвайки напълно квалифицираното име на класа.

Методът java.lang.ClassLoader.loadClass () е отговорен за зареждането на дефиницията на класа в изпълнение . Той се опитва да зареди класа въз основа на напълно квалифицирано име.

Ако класът още не е зареден, той делегира заявката на родителя на родителски клас. Този процес се случва рекурсивно.

В крайна сметка, ако зареждащият родителски клас не намери класа, тогава дъщерният клас ще извика метод java.net.URLClassLoader.findClass () , за да търси класове в самата файлова система.

Ако последният зареждащ клас на дете също не може да зареди класа, той хвърля java.lang.NoClassDefFoundError или java.lang.ClassNotFoundException.

Нека да разгледаме пример за изход, когато се хвърля 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)

Ако преминем през последователността на събитията направо от извикване на java.lang.Class.forName () , можем да разберем, че първо се опитва да зареди класа чрез зареждащ клас родител и след това java.net.URLClassLoader.findClass (), за да търси самият клас.

Когато все още не намира класа, той хвърля ClassNotFoundException.

Има три важни характеристики на класните товарачи.

3.1. Модел на делегиране

Зареждащите клас следват модела на делегиране, където при поискване за намиране на клас или ресурс, екземпляр на ClassLoader ще делегира търсенето на класа или ресурса на зареждащия родителски клас .

Да приемем, че имаме заявка за зареждане на клас на приложение в JVM. Зареждащият системен клас първо делегира зареждането на този клас на неговия родителски клас на разширение, който от своя страна го делегира на зареждащия клас на bootstrap.

Само ако bootstrap и след това зареждащият клас на разширението е неуспешен при зареждането на класа, системният loader се опитва да зареди самия клас.

3.2. Уникални класове

Като следствие от модела на делегиране е лесно да се осигурят уникални класове, тъй като ние винаги се опитваме да делегираме нагоре .

Ако зареждащият родителски клас не може да намери класа, само тогава текущият екземпляр ще се опита да го направи сам.

3.3. Видимост

Освен това зареждащите деца клас са видими за класове, заредени от неговите родители на родителски клас .

Например класовете, заредени от зареждащия системен клас, имат видимост в класове, заредени от разширителите и Bootstrap клас товарачи, но не и обратно.

За да илюстрираме това, ако клас A се зарежда от зареждащ клас на приложение и клас B се зарежда от зареждащия клас на разширения, тогава и A и B класовете са видими, що се отнася до други класове, заредени от loader на приложението.

Клас B обаче е единственият клас, който се вижда, що се отнася до други класове, заредени от товара на разширения.

4. Персонализиран ClassLoader

Вграденият load loader би бил достатъчен в повечето случаи, когато файловете вече са във файловата система.

Въпреки това, в сценарии, в които трябва да заредим класове от локалния твърд диск или мрежа, може да се наложи да използваме зареждачи на потребителски клас.

В този раздел ще разгледаме някои други случаи на употреба за потребителите на потребителски клас и ще покажем как да създадем такъв.

4.1. Случаи на използване на товарачи по поръчка

Зареждащите персонализирани класове са полезни за не само зареждането на класа по време на изпълнение, няколко случая на употреба могат да включват:

  1. Помощ за модифициране на съществуващия байт код, например тъкачни агенти
  2. Създаване на класове, динамично подходящи за нуждите на потребителя. например в JDBC, превключването между различни реализации на драйвери се извършва чрез динамично зареждане на класа.
  3. Внедряване на механизъм за версиране на класове, докато се зареждат различни байт кодове за класове с еднакви имена и пакети. Това може да стане или чрез зареждащ клас на URL (зареждане на буркани чрез URL адреси) или чрез зареждащи потребителски клас.

Има по-конкретни примери, при които товарачите по поръчка могат да ви бъдат полезни.

Браузърите, например, използват зареждащ потребителски клас за зареждане на изпълнимо съдържание от уебсайт. Браузърът може да зарежда аплети от различни уеб страници, като използва отделни зареждащи устройства за клас. Прегледът на аплети, който се използва за стартиране на аплети, съдържа ClassLoader, който осъществява достъп до уебсайт на отдалечен сървър, вместо да търси в локалната файлова система.

И след това зарежда необработените файлове на байт кодове чрез HTTP и ги превръща в класове в JVM. Дори ако тези аплети имат едно и също име, те се считат за различни компоненти, ако са заредени от товарачи от различен клас .

Сега, когато разбираме защо потребителите на потребителски клас са подходящи, нека внедрим подклас на ClassLoader, за да разширим и обобщим функционалността на това как JVM зарежда класове.

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.

Говорихме за различни типове зареждачи от клас, а именно - Bootstrap, Extensions и System class loaders. Bootstrap служи като родител за всички тях и отговаря за зареждането на вътрешните класове на JDK. Разширенията и системата, от друга страна, зареждат класове съответно от директорията за разширения на Java и пътя на класа.

След това говорихме за това как работят зареждащите класове и обсъдихме някои функции като делегиране, видимост и уникалност, последвано от кратко обяснение как да създадете персонализиран такъв. И накрая, предоставихме въведение в зареждачите от клас Context.

Примери за кодове, както винаги, можете да намерите в GitHub.