Cargadores de clases en Java

Programación

1. Introducción a los cargadores de clases

Los cargadores de clases son responsables de cargar las clases de Java durante el tiempo de ejecución de forma dinámica en la JVM (máquina virtual de Java). Además, son parte del JRE (Java Runtime Environment). Por lo tanto, la JVM no necesita conocer los archivos o sistemas de archivos subyacentes para ejecutar programas Java gracias a los cargadores de clases.

Además, estas clases de Java no se cargan en la memoria todas a la vez, sino cuando las requiere una aplicación. Aquí es donde los cargadores de clases entran en escena. Son responsables de cargar clases en la memoria.

En este tutorial, hablaremos sobre los diferentes tipos de cargadores de clases integrados, cómo funcionan y una introducción a nuestra propia implementación personalizada.

2. Tipos de cargadores de clases integrados

Comencemos por aprender cómo se cargan las diferentes clases usando varios cargadores de clases usando un ejemplo simple:

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()); }

Cuando se ejecuta, el método anterior imprime:

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

Como podemos ver, aquí hay tres cargadores de clases diferentes; aplicación, extensión y bootstrap (mostrado como nulo ).

El cargador de clases de la aplicación carga la clase donde está contenido el método de ejemplo. Una aplicación o un cargador de clases del sistema carga nuestros propios archivos en la ruta de clases.

A continuación, la extensión uno carga la clase Logging . Los cargadores de clases de extensión cargan clases que son una extensión de las clases principales estándar de Java.

Finalmente, el bootstrap uno carga la clase ArrayList . Un cargador de clases bootstrap o primordial es el padre de todos los demás.

Sin embargo, podemos ver que el último en salir, para ArrayList , muestra nulo en la salida. Esto se debe a que el cargador de clases de arranque está escrito en código nativo, no en Java, por lo que no aparece como una clase de Java. Por esta razón, el comportamiento del cargador de clases de arranque diferirá entre las JVM.

Analicemos ahora con más detalle cada uno de estos cargadores de clases.

2.1. Cargador de clases Bootstrap

Las clases de Java se cargan mediante una instancia de java.lang.ClassLoader . Sin embargo, los cargadores de clases son clases en sí mismos. Por lo tanto, la pregunta es, ¿quién carga el propio java.lang.ClassLoader ?

Aquí es donde entra en escena el cargador de clases bootstrap o primordial.

Es principalmente responsable de cargar las clases internas de JDK, generalmente rt.jar y otras bibliotecas centrales ubicadas en el directorio $ JAVA_HOME / jre / lib . Además, el cargador de clases Bootstrap sirve como padre de todas las demás instancias de ClassLoader .

Este cargador de clases de arranque es parte de la JVM principal y está escrito en código nativo como se indica en el ejemplo anterior. Diferentes plataformas pueden tener diferentes implementaciones de este cargador de clases en particular.

2.2. Cargador de clases de extensión

El cargador de clases de extensión es un elemento secundario del cargador de clases de arranque y se encarga de cargar las extensiones de las clases centrales estándar de Java para que esté disponible para todas las aplicaciones que se ejecutan en la plataforma.

El cargador de clases de extensión se carga desde el directorio de extensiones JDK, generalmente el directorio $ JAVA_HOME / lib / ext o cualquier otro directorio mencionado en la propiedad del sistema java.ext.dirs .

2.3. Cargador de clases de sistema

El cargador de clases de sistema o aplicación, por otro lado, se encarga de cargar todas las clases de nivel de aplicación en la JVM. Carga los archivos que se encuentran en la variable de entorno classpath, la opción de línea de comandos -classpath o -cp . Además, es un elemento secundario de Extensions classloader.

3. ¿Cómo funcionan los cargadores de clases?

Los cargadores de clases son parte del entorno de ejecución de Java. Cuando la JVM solicita una clase, el cargador de clases intenta ubicar la clase y cargar la definición de clase en el tiempo de ejecución utilizando el nombre de clase completo.

El método java.lang.ClassLoader.loadClass () es responsable de cargar la definición de clase en tiempo de ejecución . Intenta cargar la clase basándose en un nombre completo.

Si la clase aún no está cargada, delega la solicitud al cargador de clases principal. Este proceso ocurre de forma recursiva.

Eventualmente, si el cargador de clases padre no encuentra la clase, entonces la clase secundaria llamará al método java.net.URLClassLoader.findClass () para buscar clases en el sistema de archivos.

Si el último cargador de clases hijo tampoco puede cargar la clase, lanza java.lang.NoClassDefFoundError o java.lang.ClassNotFoundException.

Veamos un ejemplo de salida cuando se lanza 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)

Si pasamos por la secuencia de eventos justo después de llamar a java.lang.Class.forName () , podemos entender que primero intenta cargar la clase a través del cargador de clases padre y luego java.net.URLClassLoader.findClass () para buscar la propia clase.

Cuando todavía no encuentra la clase, lanza una ClassNotFoundException.

Hay tres características importantes de los cargadores de clases.

3.1. Modelo de delegación

Los cargadores de clases siguen el modelo de delegación donde, a petición de encontrar una clase o recurso, una instancia de ClassLoader delegará la búsqueda de la clase o recurso al cargador de clases padre .

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.

Hablamos de diferentes tipos de cargadores de clases, a saber: cargadores de clases Bootstrap, Extensions y System. Bootstrap sirve como padre para todos ellos y es responsable de cargar las clases internas de JDK. Las extensiones y el sistema, por otro lado, cargan clases desde el directorio de extensiones Java y classpath respectivamente.

Luego hablamos sobre cómo funcionan los cargadores de clases y discutimos algunas características como la delegación, la visibilidad y la singularidad, seguidas de una breve explicación de cómo crear uno personalizado. Finalmente, proporcionamos una introducción a los cargadores de clases de contexto.

Los ejemplos de código, como siempre, se pueden encontrar en GitHub.