java类加载器和jar路径解析

作者: 一天的 | 来源:发表于2019-09-28 16:24 被阅读0次

一、类加载器基本原理

未命名表单2.jpg

虚拟机提供了3种类加载器：Bootstrap类加载器、Ext类加载器、App类加载器。他们之间通过双亲委派模式进行类的加载

Bootstrap类加载器：主要加载的是JVM自身需要的类，这个类加载使用C++语言实现的，是虚拟机自身的一部分，它负责将 {jdk}/lib路径下的核心类库或-Xbootclasspath参数指定的路径下的jar包加载到内存中，注意必由于虚拟机是按照文件名识别加载jar包的，如rt.jar，如果文件名不被虚拟机识别，即使把jar包丢到lib目录下也是没有作用的(出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类)。

Ext类加载器：是指sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类，由Java语言实现的，是Launcher的静态内部类，它负责加载{jdk}/lib/ext目录下或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位路径中的类库，开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

App类加载器：sun.misc.Launcher$AppClassLoader。它负责加载系统类路径java -classpath或-D java.class.path 指定路径下的类库，也就是我们经常用到的classpath路径，开发者可以直接使用系统类加载器，一般情况下该类加载是程序中默认的类加载器。

BootStrap 是最顶级类加载器，Ext持有BootStrap引用，App持有Ext引用。当去加载一个类时，首先由上级加载器去加载，上级加载器不能加载，才由自己进行加载。（具体可自行搜索双亲委派模型）

其中ExtClassLaoder、AppClassLoader 都是URLClassLaoder子类（Bootstrap是C++实现的，所以不是它的子类），当我们去定义自己的ClassLoader时，一般去继承URLClassLoader。

ClassLoader

ClassLoader 是所有类加载器的父类，其中主要有三个方法：loadClass（加载一个class）、findClass（找到class文件所在磁盘的位置（也可以是网络流））、defineClass（将class转载到jvm内存）
当去加载一个类时，会通过loadClass去加载，loadClass主要逻辑如下：

// 代码只保留了核心逻辑
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) {
    Class<?> c = findLoadedClass(name);  //判断有没有加载过
    if (c == null) {
        if (parent != null) {
            c = parent.loadClass(name, false);   //首先父加载器加载
        }
        if (c == null) {
            c = findClass(name);    //找到该class并装在在内存中
        }
    }
    return c;
}

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

URLClassLoader

URLClassLoader 继承了ClassLoader，其主要实现的功能，就是通过类的全限定名(包名+类名）来定位到class文件的位置。
我们看一下URLClassLoader构造方法

URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent) 
URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent,AccessControlContext acc) 
public URLClassLoader(URL[] urls)
URLClassLoader(URL[] urls, AccessControlContext acc)

构造函数，都包含URL[] 这个参数。其实这个参数就代表类所在的路径（可以是：文件路径、网络流、jar路径。）这样当去加载一个类时，就通过这些路径去寻找。
所以，我们去自定义一个类加载器时，一般都会继承URLClassLoader，这样我们把类所在的路径URL传递给URLClassLoader，urlClassLoader就会帮我们在路径寻找并加载类，不用我们过问其中的逻辑了。
URLClassLoader 对findClass进行了重写，主要逻辑如下

protected Class<?> findClass(final String name) {
    final Class<?> result;
    String path = name.replace('.', '/').concat(".class");  //name代表类的全限定名
    Resource res = ucp.getResource(path, false);   //ucp就是对 URL[] 封装，在URL[] 路径列表里查找要装载的类
    if (res != null) {
        try {
            return defineClass(name, res);  //将类装在jvm内存
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException(name, e);
        }
    } else {
        return null;
    }

    if (result == null) {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
    return result;
}

可以看到URLClassLoader实现了:在路径查找class文件，并装载到内存中。
下面我们演示一下

示例

例1：

public class TestClass {
    public static void main(String[] args) {
        TestClass testClass = new TestClass();
        ClassLoader classLoader = testClass.getClass().getClassLoader();
        URL[] urls = ((URLClassLoader) classLoader).getURLs();
        for(URL url :urls) {
            System.out.println(url);
        }
    }
}

通过上面我们知道，我们运行代码默认为AppClassLoader，也就是一个URLClassLoader，我们把其中的路径打印出来，结果如下：

file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_65.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_65.jdk/Contents/Home/jre/lib/deploy.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_65.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/cldrdata.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_65.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/dnsns.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_65.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/jaccess.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_65.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/jfxrt.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_65.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/localedata.jar
.......

可以看到，都是我们classPath下面的jar包。
例2：
我们把这段测试代码放到springBoot项目中，然后打成一个jar包，进行运行。上面代码会得到下面的输出：

jar:file:/Users/yt/test/spring-boot-test.jar!/BOOT-INF/classes!/
jar:file:/Users/yt/test/spring-boot-test.jar!/BOOT-INF/lib/api-core-0.0.4-SNAPSHOT.jar!/
jar:file:/Users/yt/test/spring-boot-test.jar!/BOOT-INF/lib/raptor-es-common-1.0.3-SNAPSHOT.jar!/
jar:file:/Users/yt/test/spring-boot-test.jar!/BOOT-INF/lib/httpclient-4.5.7.jar!/
jar:file:/Users/yt/test/spring-boot-test.jar!/BOOT-INF/lib/httpmime-4.5.7.jar!/
jar:file:/Users/yt/test/spring-boot-test.jar!/BOOT-INF/lib/httpcore-4.4.11.jar!/

这些jar包，都是我们项目中引入的第三方jar包。我们可以看到这些jar包路径被传入到classloader中，供classloader加载类时，进行路径搜索。
我们会发现这些路径带有 !/ 这样的符号，这个其实代表java特有的路径符号，表示一个jar文件，这样java去读取的时候，就会使用jar形势进行解压读取。(因为读取jar文件不能像其他文件那样读取，jar其实是一种压缩文件，必须对其解压）

我们现在抛出一个问题：为什么例1中URL形式是file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_65.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar 而不是：file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_65.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar!/，结尾带上!/。既然!/代表是一个jar文件，jvm会使用jar形势解压读取，那么jar文件就要带有!/，就像我们在例2的时候，jar以!/结尾。为什么这里的jar没有带有!/

二、jar文件路径解析

URL类解析

URLClassLoader 会通过URL[] 来搜索类所在的位置，我们看一下这个URL的实现，首先看一下构造函数：

 public URL(String spec) throws MalformedURLException {
        this(null, spec);
    }
public URL(URL context, String spec) throws MalformedURLException {
        this(context, spec, null);
    }
public URL(URL context, String spec, URLStreamHandler handler) {
        protocol = getProto(spec);  //解析出：前面的字符，作为该协议
        this.handler = getURLStreamHandler(protocol)  //获取该协议对应的处理类。负责对该协议进行读写
        this.handler.parseURL(this, spec, start, limit); //校验
    }

我们看一下getURLStreamHandler:

static URLStreamHandler getURLStreamHandler(String protocol) {
        //GetPropertyAction("java.protocol.handler.pkgs", "") 就是获取jvm有没有这个property变量，
       //也就说我们可以自己定义URL协议，自己定义协议处理方式。并把类名 写到jvm property变量中
        packagePrefixList = java.security.AccessController.doPrivileged(
                new sun.security.action.GetPropertyAction("java.protocol.handler.pkgs", "")
        );
        if (packagePrefixList != "") {
            packagePrefixList += "|";
        }

        packagePrefixList += "sun.net.www.protocol";

        StringTokenizer packagePrefixIter =
                new StringTokenizer(packagePrefixList, "|");

        while (handler == null && packagePrefixIter.hasMoreTokens()) {

            String packagePrefix = packagePrefixIter.nextToken().trim();
            try {
                String clsName = packagePrefix + "." + protocol +
                        ".Handler";
                Class<?> cls = null;
                try {
                    cls = Class.forName(clsName);
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();
                    if (cl != null) {
                        cls = cl.loadClass(clsName);
                    }
                }
                if (cls != null) {
                    handler =
                            (URLStreamHandler) cls.newInstance();
                }
            } catch (Exception e) {
                // any number of exceptions can get thrown here
            }
        }
        return handler;

    }

通过上面的代码我们可以看出。当我们new URL("jar:file:/yt/test/test.jar")，就会构造一个URL，其中负责和jar文件进行交互的Handler是sun.net.www.protocol.jar.Hnadler(除此之外，还有sun.net.www.protocol.file.Handler、sun.net.www.protocol.http.Handler等）当我们对改URL进行读写时，其内部就是用这个Handler进行处理。这样对一个jar文件读取，就是用jar.Handler去处理；对一个http进行读取，就是使用http.Handler处理

this.handler.parseURL(this, spec, start, limit); 这段代码主要是对URL进行校验，对于jar这种协议，会校验字符含有!/，如果缺少会报错。所以我们要这样写new URL("jar:file:/yt/test/test.jar!/") 才不会报错。parseURL主要逻辑如下：

Object var2 = null;
boolean var3 = true;
int var6;
if ((var6 = indexOfBangSlash(var1)) == -1) {
    throw new NullPointerException("no !/ in spec");
} else {
    try {
        String var4 = var1.substring(0, var6 - 1);
        new URL(var4);
        return var1;
    } catch (MalformedURLException var5) {
        throw new NullPointerException("invalid url: " + var1 + " (" + var5 + ")");
    }
}

URLClassLoader

URLClassLoader最重要的功能，就是从URL[]列表中查询到要装在的类所在的路径，就是findClass这个方法

protected Class<?> findClass(final String name) {
        String path = name.replace('.', '/').concat(".class");  //name代表类的全限定名
        Resource res = ucp.getResource(path, false);   //ucp就是对 URL[] 封装，在URL[] 路径列表里查找转载的类
       return defineClass(name, res);  //将类装在jvm内存
}

ucp 就是 URLClassPath对象，我们看一下ucp.getResouce方法. (原方法太复杂，这边对其进行了抽象总结）

 public Enumeration<Resource> getResources(final String var1, final boolean var2) {
       for url: urls{     //urls 就是URLClassLoader那个URL[] 列表，用于搜索类的路径列表
            URLClassPath.Loader  loader = getLoader(url);
            res = loader.getResource(var1, var2);
            if (res != null) retun null;
       }
    //原方法会对这边逻辑进行缓存等高效运算处理
}

private URLClassPath.Loader getLoader(final URL var1) throws IOException {
        String var1x = var1.getFile();
        if (var1x != null && var1x.endsWith("/")) {
            return (URLClassPath.Loader)("file".equals(var1.getProtocol()) ? new URLClassPath.FileLoader(var1) : new URLClassPath.Loader(var1));
        } else {
            return new URLClassPath.JarLoader(var1, URLClassPath.this.jarHandler, URLClassPath.this.lmap);
        }
}

我们看一下URLClassPath.Loader这个内部类，getResource逻辑主要是：判断class是否在该url路径下。
现在我们回到上面的问题：

当我们运行一个非jar包时，其class路径是这样形势（其实对应AppClassLoader）：file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_65.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar
那我们 getLoader的时候，就会走 new URLClassPath.JarLoader()逻辑，可以看到这是一个jarLoader，也就是说他会按jar包读取方式读取。

当我们运行一个springboot打包的jar时，其class路径是这样的形式（其实对应的是springboot自定义的classloader）：jar:file:/Users/yt/test/spring-boot-test.jar!/BOOT-INF/lib/api-core-0.0.4-SNAPSHOT.jar!/
那我们getLaoder的时候，会走这个逻辑，new URLClassPath.Loader(var1));本身该URL就是jar协议，所以会通过jar协议进行读取。

三、getResource

我们创建一个项目，其目录如下：

src/main/java: TestClass.java
src/main/resouce: /res.txt

public class TestClass {
    public static void main(String[] args) {
        TestClass testClass = new TestClass();
        URL fileURL = testClass.getClass().getResource("/res.txt");
        System.out.println(fileURL.getFile());
    }
}

我们运行这个方法

运行后结果：
/Users/yt/test/res.text
我们对这个项目打成jar包（test.jar)，运行后的结果：
/Users/yt/test.jar!/res.text

所以对于jar包里的文件路径，其格式为 jar:file:{path}!/{path}

参考：
https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/73413292

https://www.iteye.com/blog/hxraid-483115

java类加载器和jar路径解析

一、类加载器基本原理

ClassLoader

URLClassLoader

示例

二、jar文件路径解析

URL类解析

URLClassLoader

三、getResource

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