Klassenlader in Java

1. Einführung in Klassenlader

Klassenlader sind dafür verantwortlich, Java-Klassen zur Laufzeit dynamisch in die JVM (Java Virtual Machine) zu laden . Sie sind außerdem Teil der JRE (Java Runtime Environment). Daher muss die JVM die zugrunde liegenden Dateien oder Dateisysteme nicht kennen, um Java-Programme dank Klassenladeprogrammen ausführen zu können.

Außerdem werden diese Java-Klassen nicht auf einmal in den Speicher geladen, sondern wenn dies von einer Anwendung benötigt wird. Hier kommen Klassenlader ins Spiel. Sie sind für das Laden von Klassen in den Speicher verantwortlich.

In diesem Tutorial werden wir über verschiedene Arten von integrierten Klassenladern, deren Funktionsweise und eine Einführung in unsere eigene benutzerdefinierte Implementierung sprechen.

2. Arten von eingebauten Klassenladern

Beginnen wir mit einem einfachen Beispiel, wie verschiedene Klassen mit verschiedenen Klassenladern geladen werden:

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()); }

Bei Ausführung wird die obige Methode gedruckt:

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

Wie wir sehen können, gibt es hier drei verschiedene Klassenlader; Anwendung, Erweiterung und Bootstrap (als Null angezeigt ).

Der Application Class Loader lädt die Klasse, in der die Beispielmethode enthalten ist. Ein Anwendungs- oder Systemklassenlader lädt unsere eigenen Dateien in den Klassenpfad.

Als nächstes lädt die Erweiterung die Protokollierungsklasse . Loader für Erweiterungsklassen laden Klassen, die eine Erweiterung der Standard-Java-Kernklassen sind.

Schließlich lädt der Bootstrap die ArrayList- Klasse. Ein Bootstrap oder ein primordialer Klassenlader ist das übergeordnete Element aller anderen.

Wir können jedoch sehen, dass der letzte Ausgang für die ArrayList in der Ausgabe null anzeigt . Dies liegt daran, dass der Bootstrap-Klassenlader in nativem Code und nicht in Java geschrieben ist und daher nicht als Java-Klasse angezeigt wird. Aus diesem Grund unterscheidet sich das Verhalten des Bootstrap-Klassenladeprogramms zwischen JVMs.

Lassen Sie uns nun detaillierter auf jeden dieser Klassenlader eingehen.

2.1. Bootstrap Class Loader

Java-Klassen werden von einer Instanz von java.lang.ClassLoader geladen . Klassenlader sind jedoch selbst Klassen. Daher stellt sich die Frage, wer den java.lang.ClassLoader selbst lädt .

Hier kommt der Bootstrap oder der Urklassenlader ins Spiel.

Es ist hauptsächlich für das Laden interner JDK-Klassen verantwortlich, normalerweise für rt.jar und andere Kernbibliotheken im Verzeichnis $ JAVA_HOME / jre / lib . Darüber hinaus dient der Bootstrap-Klassenladeprogramm als übergeordnetes Element aller anderen ClassLoader- Instanzen .

Dieser Bootstrap-Klassenlader ist Teil der Kern-JVM und wird in nativem Code geschrieben, wie im obigen Beispiel gezeigt. Unterschiedliche Plattformen haben möglicherweise unterschiedliche Implementierungen dieses bestimmten Klassenladeprogramms.

2.2. Erweiterungsklassenlader

Der Erweiterungsklassenlader ist ein untergeordnetes Element des Bootstrap-Klassenladeprogramms und sorgt dafür, dass die Erweiterungen der Standard-Java-Kernklassen so geladen werden , dass sie für alle auf der Plattform ausgeführten Anwendungen verfügbar sind.

Der Loader für Erweiterungsklassen wird aus dem JDK-Erweiterungsverzeichnis geladen , normalerweise aus dem Verzeichnis $ JAVA_HOME / lib / ext oder einem anderen Verzeichnis, das in der Systemeigenschaft java.ext.dirs angegeben ist.

2.3. System Class Loader

Der System- oder Anwendungsklassenlader übernimmt andererseits das Laden aller Klassen auf Anwendungsebene in die JVM. Es lädt Dateien im Classpath - Umgebungsvariable, gefunden -classpath oder -cp Befehlszeilenoption . Außerdem ist es ein Kind von Extensions Classloader.

3. Wie funktionieren Klassenlader?

Klassenlader sind Teil der Java-Laufzeitumgebung. Wenn die JVM eine Klasse anfordert, versucht der Klassenlader, die Klasse zu lokalisieren und die Klassendefinition unter Verwendung des vollständig qualifizierten Klassennamens in die Laufzeit zu laden.

Die Methode java.lang.ClassLoader.loadClass () ist für das Laden der Klassendefinition in die Laufzeit verantwortlich . Es wird versucht, die Klasse basierend auf einem vollständig qualifizierten Namen zu laden.

Wenn die Klasse noch nicht geladen ist, delegiert sie die Anforderung an den übergeordneten Klassenlader. Dieser Vorgang erfolgt rekursiv.

Wenn der übergeordnete Klassenladeprogramm die Klasse nicht findet, ruft die untergeordnete Klasse die Methode java.net.URLClassLoader.findClass () auf, um im Dateisystem selbst nach Klassen zu suchen.

Wenn der letzte untergeordnete Klassenladeprogramm die Klasse ebenfalls nicht laden kann, wird java.lang.NoClassDefFoundError oder java.lang.ClassNotFoundException ausgelöst.

Schauen wir uns ein Beispiel für die Ausgabe an, wenn ClassNotFoundException ausgelöst wird.

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)

Wenn wir die Abfolge der Ereignisse direkt nach dem Aufruf von java.lang.Class.forName () durchlaufen , können wir verstehen, dass zuerst versucht wird, die Klasse über den übergeordneten Klassenlader zu laden und dann nach java.net.URLClassLoader.findClass () zu suchen die Klasse selbst.

Wenn die Klasse immer noch nicht gefunden wird, wird eine ClassNotFoundException ausgelöst.

Es gibt drei wichtige Merkmale von Klassenladern.

3.1. Delegierungsmodell

Klassenlader folgen dem Delegierungsmodell , bei dem eine ClassLoader- Instanz auf Anfrage zum Suchen einer Klasse oder Ressource die Suche nach der Klasse oder Ressource an den übergeordneten Klassenlader delegiert .

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.

Wir haben über verschiedene Arten von Klassenladern gesprochen, nämlich Bootstrap, Extensions und System-Klassenlader. Bootstrap dient allen als übergeordnetes Element und ist für das Laden der internen JDK-Klassen verantwortlich. Extensions und System hingegen laden Klassen aus dem Java-Erweiterungsverzeichnis bzw. dem Klassenpfad.

Anschließend haben wir über die Funktionsweise von Klassenladeprogrammen gesprochen und einige Funktionen wie Delegierung, Sichtbarkeit und Eindeutigkeit besprochen, gefolgt von einer kurzen Erläuterung zum Erstellen eines benutzerdefinierten. Schließlich haben wir eine Einführung in die Kontextklassenlader gegeben.

Codebeispiele finden Sie wie immer auf GitHub.