что такое загрузчик классов classloader java
Внутренности JVM, Часть 1 — Загрузчик классов
Перевод статьи подготовлен специально для студентов курса «Разработчик Java».
В этой серии статей я расскажу о том, как работает Java Virtual Machine. Сегодня мы рассмотрим механизм загрузки классов в JVM.
Виртуальная машина Java — это сердце экосистемы Java-технологий. Она делает для Java-программ возможность реализации принципа «написано один раз, работает везде» (write once run everywhere). Как и другие виртуальные машины, JVM представляет собой абстрактный компьютер. Основная задача JVM — загружать class-файлы и выполнять содержащийся в них байт-код.
В состав JVM входят различные компоненты, такие как загрузчик классов (Classloader), сборщик мусора (Garbage Collector) (автоматическое управление памятью), интерпретатор, JIT-компилятор, компоненты управления потоками. В этой статье рассмотрим загрузчик классов (Class loader).
Загрузчик классов загружает class-файлы как для вашего приложения, так и для Java API. В виртуальную машину загружаются только те class-файлы Java API, которые действительно требуются при выполнении программы.
Байт-код выполняется подсистемой исполнения (execution engine).
Что такое загрузка классов?
Загрузка классов — это поиск и загрузка типов (классов и интерфейсов) динамически во время выполнения программы. Данные о типах находятся в бинарных class-файлах.
Этапы загрузки классов
Подсистема загрузчика классов отвечает не только за поиск и импорт бинарных данных класса. Она также выполняет проверку правильности импортируемых классов, выделяет и инициализирует память для переменных класса, помогает в разрешении символьных ссылок. Эти действия выполняются в следующем порядке:
Примечание — загрузчик классов, помимо загрузки классов, также отвечает за поиск ресурсов. Ресурс — это некоторые данные (например, “.class” файл, данные конфигурации, изображения), которые идентифицируются с помощью абстрактного пути, разделенного символом «/». Ресурсы обычно упаковываются вместе с приложением или библиотекой для того, чтобы их можно было использовать в коде приложения или библиотеки.
Механизм загрузки классов в Java
Platform class loader — загружает выбранные (на основе безопасности / разрешений) модули Java SE и JDK. Например, java.sql.
Bootstrap class loader — загружает основные модули Java SE и JDK.
Эти три встроенных загрузчика классов работают вместе следующим образом:
Запустив этот код на установленном у меня Amazon Corretto 11.0.3, получим следующий результат:
Подробнее изучить ClassLoader API вы можете здесь (JDK 11).
Загрузка классов в Java. Теория
Одной из основных особенностей платформы Java является модель динамической загрузки классов, которая позволяет загружать исполняемый код в JRE не перезагружая основое приложение. Такая особенность широко используется в серверах приложений, получивших последнее время высокую популярность.
В статье рассмотрены базовые понятия, аспекты и принципы модели динамической загрузки кода. В следующей статье будет рассмотрена реализация собственного загрузчика классов, как основного механизма приложения с плагино-модульной архитектурой.
Введение
Классы загружаются по мере надобности, за небольшим исключением. Некоторые базовые классы из rt.jar (java.lang.* в частности) загружаются при старте приложения. Классы расширений ($JAVA_HOME/lib/ext), пользовательские и большинство системных классов загружаются по мере их использования.
Виды загрузчиков
Различают 3-и вида загрузчиков в Java. Это — базовый загрузчик (bootstrap), системный загрузчик (System Classloader), загрузчик расширений (Extension Classloader).
System Classloader — системный загрузчик, реализованный уже на уровне JRE. В Sun JRE — это класс sun.misc.Launcher$AppClassLoader. Этим загрузчиком загружаются классы, пути к которым указаны в переменной окружения CLASSPATH.
Управлять загрузкой расширений можно с помощью системной опции java.ext.dirs.
Понятия
Различают текущий загрузчик (Current Classloader) и загрузчик контекста (Context Classloader).
Current Classloader — это загрузчик класса, код которого в данный момент исполняется. Текущий загрузчик используется по умолчанию для загрузки классов в процессе исполнения. В часности, при использовании метода Class.forName(«»)/ClassLoader.loadClass(«») или при любой декларации класса, ранее не загруженного.
Context Classloader — загрузчик контекста текущего потока. Получить и установить данный загрузчик можно с помощью методов Thread.getContextClassLoader()/Thread.setContextClassLoader(). Загрузчик контекста устанавливается автоматически для каждого нового потока. При этом, используется загрузчик родительского потока.
Модель делегирования загрузки
Начиная с версии Java 2 Platform, Standard Edition, v1.2 загрузчики классов образуют иерархию. Корневым является базовый (у него предка нет). Все остальные загрузчики при инициализации инстанциируют ссылку на родительский загрузчик. Такая иерархия необходима для модели делегирования загрузки. В общем случа, иерархия выглядит следующим образом.
Право загрузки класса рекурсивно делегируется от самого нижнего загрузчика в иерархии к самому верхнему. Такой подход позволяет загружать классы тем загрузчиком, который максимально близко находится к базовому. Так достигается максимальная область видимости классов. Под областью видимости подразумевается следующее. Каждый загрузчик ведет учет классов, которые были им загружены. Множество этих классов и назвается областью видимости.
Рассмотрим процесс загрузки более детально. Пусть в систем исполнения встретилась декларация переменной пользовательского класс Student.
1) Системный загрузчик попытается поискать в кеше класс Student.
_1.1) Если класс найден, загрузка окончена.
_1.2) Если класс не найден, загрузка делегируется загрузчику расширений.
2) Загрузчик расширений попытается поискать в кеше класс Student.
_2.1) Если класс найден, загрузка окончена.
_2.2) Если класс не найден, загрузка делегируется базовому загрузчику.
3) Базовый загрузчик попытается поискать в кеше класс Student.
_3.1) Если класс найден, загрузка окончена.
_3.2) Если класс не найден, базовый загрузчик попытается его загрузить.
__3.2.1) Если загрузка прошла успешно, она закончена 😉
__3.2.2) Иначе управление предается загрузчику раширений.
_3.3) Загрузчик расширений пытается загрузить класс.
__3.3.1) Если загрузка прошла успешно, она закончена 😉
__3.3.2) Иначе управление предается системному загрузчику.
_3.4) Системный загрузчик пытается загрузить класс.
__3.4.1) Если загрузка прошла успешно, она закончена 😉
__3.4.2) Иначе генерируется исключение java.lang.ClassNotFoundException.
Если в системе присутствуют пользовательские загрузчики, они должны
а) расширять класс java.lang.ClassLoader;
б) поддерживать модель динамической загрузки.
Inside
public class B extends A
public class C extends B
Вывод показывает, что классы были загружены не в том порядке в котором были использованы. Это обусловлено наследованием.
[Loaded Main from file:/C:/devel/CL/bin/]
[Loaded A from file:/C:/devel/CL/bin/]
[Loaded B from file:/C:/devel/CL/bin/]
[Loaded C from file:/C:/devel/CL/bin/]
Внутренности JVM, Часть 1 — Загрузчик классов
Перевод статьи подготовлен специально для студентов курса «Разработчик Java».
В этой серии статей я расскажу о том, как работает Java Virtual Machine. Сегодня мы рассмотрим механизм загрузки классов в JVM.
Виртуальная машина Java — это сердце экосистемы Java-технологий. Она делает для Java-программ возможность реализации принципа «написано один раз, работает везде» (write once run everywhere). Как и другие виртуальные машины, JVM представляет собой абстрактный компьютер. Основная задача JVM — загружать class-файлы и выполнять содержащийся в них байт-код.
В состав JVM входят различные компоненты, такие как загрузчик классов (Classloader), сборщик мусора (Garbage Collector) (автоматическое управление памятью), интерпретатор, JIT-компилятор, компоненты управления потоками. В этой статье рассмотрим загрузчик классов (Class loader).
Загрузчик классов загружает class-файлы как для вашего приложения, так и для Java API. В виртуальную машину загружаются только те class-файлы Java API, которые действительно требуются при выполнении программы.
Байт-код выполняется подсистемой исполнения (execution engine).
Что такое загрузка классов?
Загрузка классов — это поиск и загрузка типов (классов и интерфейсов) динамически во время выполнения программы. Данные о типах находятся в бинарных class-файлах.
Этапы загрузки классов
Подсистема загрузчика классов отвечает не только за поиск и импорт бинарных данных класса. Она также выполняет проверку правильности импортируемых классов, выделяет и инициализирует память для переменных класса, помогает в разрешении символьных ссылок. Эти действия выполняются в следующем порядке:
Примечание — загрузчик классов, помимо загрузки классов, также отвечает за поиск ресурсов. Ресурс — это некоторые данные (например, “.class” файл, данные конфигурации, изображения), которые идентифицируются с помощью абстрактного пути, разделенного символом «/». Ресурсы обычно упаковываются вместе с приложением или библиотекой для того, чтобы их можно было использовать в коде приложения или библиотеки.
Механизм загрузки классов в Java
Platform class loader — загружает выбранные (на основе безопасности / разрешений) модули Java SE и JDK. Например, java.sql.
Bootstrap class loader — загружает основные модули Java SE и JDK.
Эти три встроенных загрузчика классов работают вместе следующим образом:
Запустив этот код на установленном у меня Amazon Corretto 11.0.3, получим следующий результат:
Подробнее изучить ClassLoader API вы можете здесь (JDK 11).
Понимание и расширение Java ClassLoader
Эта статья предоставит обзор загрузки классов Java, а затем перейдет к созданию пользовательского ClassLoader и его использованию.
Что такое ClassLoader?
Существует три типа встроенных загрузчиков классов в Java:
Давайте лучше поймем это, выполнив следующую Java-программу:
ClassLoaderTest.java
Вывод вышеуказанной программы:
загрузчик классов для HashMap: null
загрузчик классов для DNSNameService: sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@51f12c4e
загрузчик класса для этого класса: sun.misc.Launcher$AppClassLoader@799134f4
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@799134f4
Как вы можете видеть, thr java.util.HashMap ClassLoader прибывает как ноль, который отражает Bootstrap ClassLoader, тогда как DNSNameService ClassLoader является ExtClassLoader. Поскольку сам класс находится в CLASSPATH, System ClassLoader загружает его.
Еще один важный момент, на который следует обратить внимание, заключается в том, что классы, загружаемые загрузчиком дочерних классов, имеют видимость классов, загружаемых его загрузчиками родительских классов. Таким образом, классы, загруженные System ClassLoader, имеют видимость классов, загружаемых Extensions и Bootstrap ClassLoader.
Если есть загрузчики классов одного уровня, они не могут получить доступ к классам, загруженным друг другом.
Зачем писать ClassLoader?
По умолчанию Java ClassLoader может загружать файлы из локальной файловой системы, что достаточно для большинства случаев. Но если вы ожидаете класс во время выполнения или с FTP-сервера, или через стороннюю веб-службу во время загрузки класса, то вам необходимо расширить существующий загрузчик классов. Например, AppletViewers загружают классы с удаленного веб-сервера.
Как работает ClassLoader?
Когда JVM запрашивает класс, он вызывает функцию loadClass класса ClassLoader, передавая полностью классифицированное имя класса.
Функция loadClass вызывает метод findLoadedClass () для проверки того, что класс уже загружен или нет. Необходимо избегать загрузки класса несколько раз.
Если класс еще не загружен, он делегирует запрос родительскому ClassLoader для загрузки класса.
Если родительский ClassLoader не находит Class, он вызывает метод findClass () для поиска классов в файловой системе.
Создание нашего собственного ClassLoader
Мы создадим наш собственный ClassLoader, расширив класс ClassLoader и переопределив функцию loadClass (String name). Если имя будет начинаться с com.journaldev, т. Е. Нашего образца классов, то мы загрузим его, используя наш собственный загрузчик классов, или же мы вызовем родительский метод ClassLoader loadClass () для загрузки класса.
Структура проекта будет похожа на изображение ниже:
CCLoader.java: это наш пользовательский загрузчик классов с методами ниже.
1. приватный байт [] loadClassFileData (имя строки)
Этот метод будет читать файл класса из файловой системы в байтовый массив.
2. закрытый класс getClass (имя строки)
Этот метод вызовет функцию loadClassFileData () и, вызвав родительский метод defineClass (), сгенерирует класс и вернет его.
3. открытый класс loadClass (имя строки)
Этот метод отвечает за загрузку класса. Если имя класса начинается с com.journaldev (наши примеры классов), то оно загрузит его с помощью метода getClass (), иначе вызовет родительскую функцию loadClass для его загрузки.
4. публичный CCLoader (родительский класс ClassLoader)
Это конструктор, который отвечает за установку родительского ClassLoader.
Исходный код CCLoader:
CCRun.java:
Это наш тестовый класс с функцией main, где мы создаем объект нашего ClassLoader и загружаем примеры классов, используя его метод loadClass. После загрузки класса мы используем Java Reflection API для вызова его методов.
Foo.java и Bar.java:
Это наши тестовые классы, которые загружаются нашим пользовательским загрузчиком классов. У них также есть метод printCL (), который вызывается для печати ClassLoader, который загрузил класс. Класс Foo будет загружен нашим пользовательским загрузчиком классов, который в свою очередь использует класс Bar, поэтому класс Bar также будет загружен нашим пользовательским загрузчиком классов.
Исходный код Foo.java:
Исходный код Bar.java:
Прежде всего мы скомпилируем все классы через командную строку. После этого мы запустим класс CCRun, передав три аргумента. Первый аргумент — полностью классифицированное имя для класса Foo, которое будет загружено нашим загрузчиком классов. Два других аргумента передаются главной функции класса Foo и конструктору Bar. Шаги выполнения с выводом будут как ниже.
Если вы внимательно изучите вывод, сначала он пытается загрузить класс com.journaldev.cl.Foo, но, поскольку он расширяет класс java.lang.Object, он сначала пытается загрузить его, а запрос поступает в метод CCCoader loadClass, который делегирует это в родительский класс. Таким образом, загрузчики родительских классов загружают Object, String и другие Java-классы. Наш ClassLoader загружает только классы Foo и Bar из файловой системы, которая становится понятной, когда мы вызываем их функцию printCL ().
Обратите внимание, что мы можем изменить функциональность loadClassFileData () для чтения байтового массива с FTP-сервера или путем вызова любой сторонней службы для получения байтового массива класса на лету.
Подробно про ClassLoader в Java – примеры
Работая на Java, мы часто используем большое количество классов. Они не загружаются все сразу в память, вместо этого загружаются, когда требуется приложением. Тогда и требуется ClassLoaders.
Что такое ClassLoader в Java?
ClassLoader в Java вызывается средой выполнения для динамической загрузки классов, когда это требуется приложением на виртуальной машине. Поскольку ClassLoaders являются частью Java Runtime Environment, виртуальная машина не будет иметь никакого представления о базовых файлах и файловых системах.
Расширение
Как следует из названия, загружает расширения основных классов Java из библиотеки расширений JDK. Он является дочерним элементом загрузчика Bootstrap ClassLoader и загружает расширения из каталога JRE / lib / text или любого другого каталога, указанного в системном свойстве java.ext.dirs.
Приложение или система
Загрузчик
Как все мы знаем, что Java-классы загружаются экземпляром java.lang.ClassLoade. Но поскольку ClassLoaders являются классами, Bootstrap ClassLoader отвечает за загрузку внутренних классов JDK. По сути, это машинный код, который запускает операцию, когда JVM вызывает ее и загружает классы из rt.jar. Таким образом, вы можете понять, что служба Bootstrap ClassLoader не имеет родительского ClassLoader и поэтому известна как Primordial ClassLoader.
Примечание. Приоритет Bootstrap выше, чем Extension, а приоритет, присвоенный Extension ClassLoader, выше, чем Application ClassLoader. Обратитесь к изображению ниже:
Принципы
Набор правил, на основе которых работает ClassLoader, состоит из следующих трех принципов:
Свойство уникальности
Это свойство гарантирует, что нет повторения классов, и все классы являются уникальными. Также гарантирует, что классы, загружаемые родительским ClassLoader, не загружаются дочерним. В сценарии, где родительский ClassLoader не может найти класс, текущий экземпляр попытается сделать это сам.
Модель делегирования
ClassLoader работает на основе набора операций, заданных моделью делегирования. Таким образом, всякий раз, когда генерируется запрос на поиск класса или ресурса, экземпляр ClassLoader делегирует поиск класса или ресурса родительскому ClassLoader.
Набор операций, на основе которых работает ClassLoader:
Обратитесь к изображению ниже. 
Принцип видимости
Согласно этому принципу, дочерние классы видны для классов, загруженных их родительскими ClassLoaders, но наоборот не соответствует действительности. Таким образом, классы, загруженные Application, имеют видимость классов, загруженных Extension и Bootstrap.
Например, если у нас есть два класса: A и B, предположим, что класс A загружается Application, а класс B загружается Extension. Здесь классы A и B видны всем тем классам, которые загружены Application, но класс B виден только тем классам, которые загружены Extension.
Кроме того, если вы попытаетесь загрузить эти классы с помощью Bootstrap ClassLoader, вы увидите java.lang.ClassNotFoundException исключение.
Методы
Вот несколько основных методов:
loadClass()
Этот метод является точкой входа ClassLoader и используется для загрузки класса, на который ссылается JVM. Он принимает имя класса в качестве параметра. JVM вызывает метод loadClass() для разрешения ссылок на класс, устанавливая логическое значение true. Только если нам нужно определить, существует ли класс или нет, логический параметр имеет значение false.
defineClass()
Последний метод, используемый для определения массива байтов как экземпляра класса. В случае, если класс является недействительным, он выдает ClassFormatError.
findClass ()
Метод используется для поиска указанного класса. Таким образом, он просто находит класс с полностью определенным именем в качестве параметра, но не загружает его. Метод loadClass() вызывает этот метод, если родительский ClassLoader не может найти запрошенный класс. Кроме того, если ни один из родителей ClassLoader не находит класс, реализация по умолчанию генерирует исключение ClassNotFoundException.
Class.forName ()
Этот метод используется для загрузки и инициализации класса. Это дает возможность выбрать любой из ClassLoaders и в случае, если параметр ClassLoader равен NULL, тогда автоматически используется Bootstrap ClassLoader.
GetParent()
Метод getParent используется для возврата родительского ClassLoader для делегирования.
getResource()
Метод getResource() пытается найти ресурс с заданным именем. Первоначально он делегирует запрос родительскому ClassLoader для ресурса. В случае, если родительский элемент является нулевым, ищется путь к ClassLoader, встроенному в JVM.
Теперь, если это не удается, тогда метод вызовет findResource (), чтобы найти ресурс, где имя ресурса указывается как вход, который может быть как абсолютным, так и относительным путем к классу. Затем он возвращает объект URL для чтения ресурса или возвращает нулевое значение, если у ресурса нет соответствующих прав для возврата ресурса или он не найден.
Пользовательский ClassLoader в Java
Встроенные ClassLoaders позаботятся о большинстве случаев, когда файлы уже находятся в файловой системе, но если вы хотите загрузить классы с локального жесткого диска, вам нужно использовать пользовательские ClassLoaders.
Как создать
Чтобы создать, вам нужно расширить класс ClassLoader и переопределить метод findClass().
Пример: Давайте создадим собственный ClassLoader, который расширяет стандартный ClassLoader и загружает байтовый массив из указанного файла.