Încărcătoare de clase în Java

1. Introducere în încărcătoare de clasă

Încărcătoarele de clasă sunt responsabile pentru încărcarea dinamică a cursurilor Java în timpul rulării pe JVM (Java Virtual Machine). De asemenea, fac parte din JRE (Java Runtime Environment). Prin urmare, JVM nu trebuie să știe despre fișierele subiacente sau sistemele de fișiere pentru a rula programe Java datorită încărcătorilor de clasă.

De asemenea, aceste clase Java nu sunt încărcate în memorie dintr-o dată, ci când sunt cerute de o aplicație. Aici intră în imagine încărcătoarele de clasă. Ei sunt responsabili pentru încărcarea claselor în memorie.

În acest tutorial, vom vorbi despre diferite tipuri de încărcătoare de clasă încorporate, cum funcționează acestea și o introducere în propria noastră implementare personalizată.

2. Tipuri de încărcătoare de clasă încorporate

Să începem prin a învăța cum se încarcă diferite clase folosind diferite încărcătoare de clase folosind un exemplu simplu:

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()); }

Când se execută metoda de mai sus tipărește:

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

După cum putem vedea, există trei încărcătoare de clasă diferite aici; aplicație, extensie și bootstrap (afișat ca nul ).

Aplicația de încărcare a clasei încarcă clasa în care este conținută metoda de exemplu. O aplicație sau un sistem de încărcare a clasei încarcă propriile noastre fișiere în clasă.

Apoi, extensia încarcă clasa Logging . Încărcătoarele de clase de extensie încarcă clase care sunt o extensie a claselor standard Java de bază.

În cele din urmă, bootstrap-ul încarcă clasa ArrayList . Un bootstrap sau un încărcător de clase primordial este părintele tuturor celorlalte.

Cu toate acestea, putem vedea că ultima ieșire, pentru ArrayList , afișează nul în ieșire. Acest lucru se datorează faptului că încărcătorul de clase bootstrap este scris în cod nativ, nu în Java - deci nu apare ca o clasă Java. Din acest motiv, comportamentul încărcătorului de clasă bootstrap va diferi între JVM-uri.

Să discutăm acum mai detaliat despre fiecare dintre aceste încărcătoare de clasă.

2.1. Bootstrap Class Loader

Clasele Java sunt încărcate de o instanță a java.lang.ClassLoader . Cu toate acestea, încărcătoarele de clasă sunt clase în sine. Prin urmare, întrebarea este, cine încarcă java.lang.ClassLoader în sine ?

Aici intră în imagine bootstrap-ul sau încărcătorul de clase primordial.

Este în principal responsabil pentru încărcarea claselor interne JDK, de obicei rt.jar și alte biblioteci de bază situate în directorul $ JAVA_HOME / jre / lib . În plus, încărcătorul de clase Bootstrap servește ca părinte al tuturor celorlalte instanțe ClassLoader .

Acest încărcător de clasă bootstrap face parte din JVM de bază și este scris în cod nativ așa cum sa subliniat în exemplul de mai sus. Diferite platforme pot avea implementări diferite ale acestui încărcător de clasă special.

2.2. Încărcător de extensie

Încărcător clasa de extensie este un copil al încărcătorului de clasă bootstrap și se ocupă de încărcarea prelungirilor de bază clase Java standard , astfel încât este disponibilă pentru toate aplicațiile care rulează pe platforma.

Încărcătorul de clase de extensii se încarcă din directorul extensiilor JDK, de obicei directorul $ JAVA_HOME / lib / ext sau orice alt director menționat în proprietatea sistemului java.ext.dirs .

2.3. Încărcător de clasă de sistem

Încărcătorul de clase de sistem sau aplicație, pe de altă parte, se ocupă de încărcarea tuturor claselor de nivel de aplicație în JVM. Se încarcă fișierele găsite în variabila de mediu CLASSPATH, -classpath sau -cp opțiunea de linie de comandă . De asemenea, este un copil al claselor de extensii Extensions.

3. Cum funcționează încărcătoarele de clasă?

Încărcătoarele de clasă fac parte din mediul Java Runtime. Când JVM solicită o clasă, încărcătorul de clase încearcă să localizeze clasa și să încarce definiția clasei în runtime folosind numele clasei complet calificate.

Metoda java.lang.ClassLoader.loadClass () este responsabilă pentru încărcarea definiției clasei în runtime . Se încearcă încărcarea clasei pe baza unui nume complet calificat.

Dacă clasa nu este deja încărcată, delegă solicitarea către încărcătorul de clase părinte. Acest proces are loc recursiv.

În cele din urmă, dacă încărcătorul de clase părinte nu găsește clasa, atunci clasa copil va apela metoda java.net.URLClassLoader.findClass () pentru a căuta clase în sistemul de fișiere în sine.

Dacă nici ultimul încărcător de clasă copil nu poate încărca clasa, acesta aruncă java.lang.NoClassDefFoundError sau java.lang.ClassNotFoundException.

Să vedem un exemplu de ieșire atunci când este aruncată 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)

Dacă parcurgem secvența evenimentelor chiar de la apelarea java.lang.Class.forName () , putem înțelege că mai întâi încearcă să încarce clasa prin încărcătorul de clase părinte și apoi java.net.URLClassLoader.findClass () pentru a căuta clasa în sine.

Când încă nu găsește clasa, lansează o excepție ClassNotFoundException.

Există trei caracteristici importante ale încărcătoarelor de clasă.

3.1. Model de delegare

Încărcătoarele de clasă urmează modelul de delegare, unde la cerere pentru a găsi o clasă sau o resursă, o instanță ClassLoader va delega căutarea clasei sau a resursei către încărcătorul de clase părinte .

Let's say we have a request to load an application class into the JVM. The system class loader first delegates the loading of that class to its parent extension class loader which in turn delegates it to the bootstrap class loader.

Only if the bootstrap and then the extension class loader is unsuccessful in loading the class, the system class loader tries to load the class itself.

3.2. Unique Classes

As a consequence of the delegation model, it's easy to ensure unique classes as we always try to delegate upwards.

If the parent class loader isn't able to find the class, only then the current instance would attempt to do so itself.

3.3. Visibility

In addition, children class loaders are visible to classes loaded by its parent class loaders.

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.

Am vorbit despre diferite tipuri de încărcătoare de clase și anume - Bootstrap, Extensii și încărcătoare de sistem. Bootstrap servește ca părinte pentru toți și este responsabil pentru încărcarea claselor interne JDK. Extensiile și sistemul, pe de altă parte, încarcă clase din directorul extensiilor Java și, respectiv, classpath.

Apoi am vorbit despre modul în care funcționează încărcătoarele de clasă și am discutat despre unele caracteristici, cum ar fi delegarea, vizibilitatea și unicitatea, urmate de o scurtă explicație a modului de creare a unei personalizări. În cele din urmă, am furnizat o introducere pentru încărcătoarele de clase Context.

Probele de cod, ca întotdeauna, pot fi găsite pe GitHub.