自定义类加载器-从.class和.jar中读取

一．类加载器

JVM中的类加载器：在jvm中，存在两种类加载器，
a) Boostrap ClassLoader：这个是由c++实现的，所以在方法区并没有Class对象的实例存在。用于加载JAVA_HOME/bin目录下的jar包

b) 其他类加载器：由java实现，可以在方法区找到其Class对象。这里又细分为几个加载器

扩展类加载器（Extension ClassLoader）：它负责用于加载JAVA_HOME/lib/ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量指定所指定的路径中所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。java.ext.dirs系统变量所指定的路径的可以通过程序来查看。System.getProperty("java.ext.dirs")
应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载用户类路径上指定的类库。开发者可以直接使用这个类加载器。ps：在没有指定自定义类加载器的情况下，这就是程序的默认加载器。
自定义类加载器（User ClassLoader）：
双亲委派模型：避免由于Class字节码被多次加载。底层类加载器在收到一个类加载的请求的时候，都先把请求转发给其父加载器（并不是一个继承的关系），父类查找不到才会让子类去加载。如果强制只有双亲委派模型，那么，web服务器的隔离是无法实现的。

由于最近想做一个类似tomcat一样的简易版web服务器来加深理解http请求的处理过程。我们都清楚，每个web应用在tomcat中都可以使用自己版本的jar。除了少量的包，如Servlet-api.jar，还有一些java原生的包之外，tomcat是会为每个不同的应用加载不同的jar包或者class，且彼此之间不会相互影响。这一步是通过自定义类加载器来实现的，在虚拟机层面，判断两个Class是否相等的前提是他们是同一个类加载器加载的，否则就没有意义了。这篇文章简单的实现一个自定义的加载过程，PS：这个例子并没有破坏双亲委派模型，因为例子中依然会查找父类，如果找不到再使用子类加载。接下来笔者会再更新破坏双亲委派模型的博客，这里挖个坑。
首先自定义类加载器，最重要的就是先继承ClassLoader这个类。加载器的加载流程是，给出一个Class文件的全限定名，然后调用loadClass方法，这个方法每部会现在自己已经加载的类中查找，如果找到就返回。找不到则向父类查找，如果父类都找不到这才开始自己加载，调用findClass方法。所以我们只要覆盖findClass方法就可以实现自己定义的加载了。顺带一提，ClassLoader中有一个方法叫defineClass(String, byte[], int, int);这个方法通过传进去一个Class文件的字节数组，就可以方法区生成一个Class对象。所以要实现findClass的目标就很明确了，只要将Class文件读取进来，然后生成byte数组，调用defineClass方法就可以了。

@Override
    protected Class<?> findClass(String name){
        try {
            byte[] result = getClassFromFileOrMap(name);
            if(result == null){
                throw new FileNotFoundException();
            }else{
                return defineClass(name, result, 0, result.length);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

那么如何找到Class文件呢？手动生成/网络下载我们就暂时不谈论。这里只说两种最常见的，一是直接.class文件中查找，二是从jar包中加载。
从class文件中加载非常简单。只要找到相应的文件，就可以通过字节流读取进来。代码如下：

input = new FileInputStream(file);
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); 
int bufferSize = 4096; 
byte[] buffer = new byte[bufferSize]; 
int bytesNumRead = 0; 
while ((bytesNumRead = input.read(buffer)) != -1) { 
    baos.write(buffer, 0, bytesNumRead); 
}
return baos.toByteArray();

从jar读取则相对麻烦一点，java给我们提供了一个专门用来读取jar包文件的类，抽象成一个JarFile的对象。通过调用这个对象的getInputStream方法，也是可以获取文件的输入流，从而读取字节数组。笔者做了一点相应的缓存，如果每次查找文件都要先读取jar文件，再遍历查找class文件是非常耗时的操作。于是，笔者选择再加载之前，把所有的jar包中的所有class读取到内存中，保存在一个map对象中。建立一个全限定名和字节数组的映射。这样在加载阶段，就能省下很多的时间了。全部的代码如下

package com.chasel.cloader;

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.MalformedURLException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Enumeration;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.jar.JarEntry;
import java.util.jar.JarFile;

/**
 * 自定义的类加载器【子类优先】
 * @author hujiancai
 * @description 
 * @data 2017年3月11日
 * @version v_0.1
 */
public class MyWebAppLoader extends ClassLoader{
    /**
     * lib:表示加载的文件在jar包中
     * 类似tomcat就是{PROJECT}/WEB-INF/lib/
     */
    private String lib;
    /**
     * classes:表示加载的文件是单纯的class文件
     * 类似tomcat就是{PROJECT}/WEB-INF/classes/
     */
    private String classes;
    /**
     * 采取将所有的jar包中的class读取到内存中
     * 然后如果需要读取的时候，再从map中查找
     */
    private Map<String, byte[]> map;
    
    /**
     * 只需要指定项目路径就好
     * 默认jar加载路径是目录下{PROJECT}/WEB-INF/lib/
     * 默认class加载路径是目录下{PROJECT}/WEB-INF/classes/
     * @param webPath
     * @throws MalformedURLException 
     * @throws SecurityException 
     * @throws NoSuchMethodException 
     */
    public MyWebAppLoader(String webPath) throws NoSuchMethodException, SecurityException, MalformedURLException{
        lib = webPath + "WEB-INF/lib/";
        classes = webPath + "WEB-INF/classes/";
        map = new HashMap<String,byte[]>(64);
        
        preReadJarFile();
    }

    /**
     * 按照父类的机制，如果在父类中没有找到的类
     * 才会调用这个findClass来加载
     * 这样只会加载放在自己目录下的文件
     * 而系统自带需要的class并不是由这个加载
     */
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name){
        try {
            byte[] result = getClassFromFileOrMap(name);
            if(result == null){
                throw new FileNotFoundException();
            }else{
                return defineClass(name, result, 0, result.length);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
    
    /**
     * 从指定的classes文件夹下找到文件
     * @param name
     * @return
     */
    private byte[] getClassFromFileOrMap(String name){
        String classPath = classes + name.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        File file = new File(classPath);
        if(file.exists()){
            InputStream input = null;
            try {
                input = new FileInputStream(file);
                ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); 
                int bufferSize = 4096; 
                byte[] buffer = new byte[bufferSize]; 
                int bytesNumRead = 0; 
                while ((bytesNumRead = input.read(buffer)) != -1) { 
                    baos.write(buffer, 0, bytesNumRead); 
                }
                return baos.toByteArray();
            } catch (FileNotFoundException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally{
                if(input != null){
                    try {
                        input.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
            
        }else{
            if(map.containsKey(name)) {
                //去除map中的引用，避免GC无法回收无用的class文件
                return map.remove(name);
            }
        }
        return null;
    }
    
    /**
     * 预读lib下面的包
     */
    private void preReadJarFile(){
        List<File> list = scanDir();
        for(File f : list){
            JarFile jar;
            try {
                jar = new JarFile(f);
                readJAR(jar);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    
    /**
     * 读取一个jar包内的class文件，并存在当前加载器的map中
     * @param jar
     * @throws IOException
     */
    private void readJAR(JarFile jar) throws IOException{
        Enumeration<JarEntry> en = jar.entries();
        while (en.hasMoreElements()){
            JarEntry je = en.nextElement();
            String name = je.getName();
            if (name.endsWith(".class")){
                String clss = name.replace(".class", "").replaceAll("/", ".");
                if(this.findLoadedClass(clss) != null) continue;
                
                InputStream input = jar.getInputStream(je);
                ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); 
                int bufferSize = 4096; 
                byte[] buffer = new byte[bufferSize]; 
                int bytesNumRead = 0; 
                while ((bytesNumRead = input.read(buffer)) != -1) { 
                    baos.write(buffer, 0, bytesNumRead); 
                }
                byte[] cc = baos.toByteArray();
                input.close();
                map.put(clss, cc);//暂时保存下来
            }
        }
    }
    
    /**
     * 扫描lib下面的所有jar包
     * @return
     */
    private List<File> scanDir() {
        List<File> list = new ArrayList<File>();
        File[] files = new File(lib).listFiles();
        for (File f : files) {
            if (f.isFile() && f.getName().endsWith(".jar"))
                list.add(f);
        }
        return list;
    }
    
    /**
     * 添加一个jar包到加载器中去。
     * @param jarPath
     * @throws IOException 
     */
    public void addJar(String jarPath) throws IOException{
        File file = new File(jarPath);
        if(file.exists()){
            JarFile jar = new JarFile(file);
            readJAR(jar);
        }
    }
}

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