深入Java虚拟机（番外篇）ClassLoader 初探

本篇文章是在深入Java虚拟机（四）的基础上产生的一些想法，从另一个方面研究下类加载问题。

面向接口编程

在项目工程目录定义了一个获取钱包余额的接口，而作为普通人会返回50大洋，供你吃喝玩乐。

public interface Pocket {
    int getBalance();
}
public class NormalUser implements Pocket{
    @Override
    public int getBalance() {
        return 50;
    }
}

我在桌面编译了另一个版本的NormalUser，给我的钱包提提额度。

public class NormalUser implements Pocket{
    @Override
    public int getBalance() {
        return 50000;
    }
}

现在我想改善下生活品质，于是我做了下面的事情:

在项目中自定义一个类加载器：

public class LocalClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        String path = "/Users/lijie/Desktop/NormalUser.class";
        try {
            FileInputStream ins = new FileInputStream(path);
            int size = ins.available();
            byte[] clazzBytes = new byte[size];
            if (ins.read(clazzBytes) > 0) {
                return defineClass("hua.lee.classloader.NormalUser", clazzBytes, 0, size);
            } else {
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        throw new ClassNotFoundException();
    }
}

LocalClassLoader写的比较死板，但是挣钱的思路是有了的。。。。

LocalClassLoader重写了 findClass方法，没有重写loadClass，这样双亲委托机制还有效。对于系统中查找不到的类型，都会走到这里，而在findClass方法中，我就会把桌面的NormalUser加载进来。

我们看下测试代码：

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {
        Class<?> clazz = Class.forName("hua.lee.classloader.NormalUser");
        System.out.println("系统自带 ClassLoader=" + clazz.getClassLoader());
        Pocket pocket = (Pocket) clazz.newInstance();
        System.out.println("系统自带："+pocket.getBalance());

        //没有重写 loadClass，维持双亲委派机制
        LocalClassLoader lcl = new LocalClassLoader();
        //我们加个后缀名，这样双亲委托查找失败了，就调用LocalClassLoader.findClass 方法加载
        //其实 findClass 方法还是加载 NormalUser类，只是换了个位置和方式：
        //defineClass("hua.lee.classloader.NormalUser", clazzBytes, 0, size);
        Class<?> clazzOut02 = lcl.loadClass("hua.lee.classloader.NormalUser_Temp");

        //双亲委托机制先检查当前类加载器中有没有这个类的 Class 实例，没有的话再搜寻父类，
        //查找到 hua.lee.classloader.NormalUser 的 Class 实例，就返回该对象
        Class<?> clazzOut01 = lcl.loadClass("hua.lee.classloader.NormalUser");


        System.out.println("clazzOut01 自定义 ClassLoader=" + clazzOut01.getClassLoader());
        pocket = (Pocket) clazzOut01.newInstance();
        System.out.println("clazzOut01 自定义加载器获取余额："+pocket.getBalance());

        System.out.println("clazzOut02 自定义 ClassLoader=" + clazzOut02.getClassLoader());
        pocket = (Pocket) clazzOut02.newInstance();
        System.out.println("clazzOut02 自定义加载器获取余额："+pocket.getBalance());

        System.out.println(clazz==clazzOut01);
        System.out.println(clazz==clazzOut02);
        System.out.println(clazzOut01==clazzOut02);
    }

控制台输出是这样的：

系统自带 ClassLoader=sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
系统自带：50
clazzOut01 自定义 ClassLoader=hua.lee.classloader.LocalClassLoader@60e53b93
clazzOut01 自定义加载器获取余额：50000
clazzOut02 自定义 ClassLoader=hua.lee.classloader.LocalClassLoader@60e53b93
clazzOut02 自定义加载器获取余额：50000
false   //clazz==clazzOut01
false   //clazz==clazzOut02
true    //clazzOut01==clazzOut02

感觉找到了致富的方向。虚拟机里的加载约束没看到呢.

面向抽象类编程

上面的致富之路好像很顺利，那我们尝试用如下的方式：

public abstract class Pocket {
    abstract int getBalance();
}
public class NormalUser extends Pocket{
    @Override
    public int getBalance() {
        return 50;
    }
}

同样，我在桌面编译了一个富人版本：

public class NormalUser extends Pocket{
    @Override
    public int getBalance() {
        return 50000;
    }
}

LocalClassLoader和测试代码没变，但是打印结果确实这样的：

系统自带 ClassLoader=sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
系统自带：50
clazzOut01 自定义 ClassLoader=hua.lee.classloader.LocalClassLoader@60e53b93
Exception in thread "main" java.lang.AbstractMethodError
	at hua.lee.classloader.ClassLoaderTest.main(ClassLoaderTest.java:25)

虚拟机在解析抽象类实现和接口实现的时候有什么区别么？

不成熟的推测

首先面向接口中的模式应该是躲过了装载约束的，或者虚拟机设计上是支持接口这么搞的。

既然提示AbstractMethodError，那我把测试代码改一下，不再用抽象类Pocket，直接指向NormalUser:

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {

        Class<?> clazz = Class.forName("hua.lee.classloader.NormalUser");
        System.out.println("系统自带 ClassLoader=" + clazz.getClassLoader());
                    //请注意此处⬇️
        NormalUser pocket = (NormalUser) clazz.newInstance();
                    //请注意此处⬆️
        System.out.println("系统自带："+pocket.getBalance());

        //没有重写 loadClass，维持双亲委派机制
        LocalClassLoader lcl = new LocalClassLoader();
        //我们加个后缀名，这样双亲委托查找失败了，就调用LocalClassLoader.findClass 方法加载
        //其实 findClass 方法还是加载 NormalUser类，只是换了个位置和方式：
        //defineClass("hua.lee.classloader.NormalUser", clazzBytes, 0, size);
        Class<?> clazzOut02 = lcl.loadClass("hua.lee.classloader.NormalUser_Temp");

        //双亲委托机制会自动搜寻父类，
        //查找到 hua.lee.classloader.NormalUser 的 Class 实例，就返回该对象
        Class<?> clazzOut01 = lcl.loadClass("hua.lee.classloader.NormalUser");


        System.out.println("clazzOut01 自定义 ClassLoader=" + clazzOut01.getClassLoader());
        pocket = (NormalUser) clazzOut01.newInstance();
        System.out.println("clazzOut01 自定义加载器获取余额："+pocket.getBalance());

        System.out.println("clazzOut02 自定义 ClassLoader=" + clazzOut02.getClassLoader());
        pocket = (NormalUser) clazzOut02.newInstance();
        System.out.println("clazzOut02 自定义加载器获取余额："+pocket.getBalance());

        System.out.println(clazz==clazzOut01);
        System.out.println(clazz==clazzOut02);
        System.out.println(clazzOut01==clazzOut02);
    }
}

惊喜的事情来了，输出变成了下面这样：

系统自带 ClassLoader=sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
系统自带：50
clazzOut01 自定义 ClassLoader=hua.lee.classloader.LocalClassLoader@60e53b93
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: hua.lee.classloader.NormalUser cannot be cast to hua.lee.classloader.NormalUser
	at hua.lee.classloader.ClassLoaderTest.main(ClassLoaderTest.java:24)

这个异常说明了一个问题我们自定义加载进来的hua.lee.classloader.NormalUser不是虚拟机想要的hua.lee.classloader.NormalUser。

第一个问题：虚拟机怎么知道这两个NormalUser不一样的？

和定义类装载器有关系，同一个全限定名的类型，如果不是同一个定义类装载器，虚拟机就认为不是同一个类型。（按照装载约束应该报错的）

啥是定义类装载器？就是真正把 class 文件装载进来的那个ClassLoader

第二个问题：为什么接口可以这样跑呢？

那是因为面向接口实现的版本没有明确指名类型NormalUser，类型转换都是按照Pocket类型执行方法，虚拟机自动查找接口类型的实现。只要是Pocket的实现就行。

如果你把pocket = (Pocket) clazzOut01.newInstance();换成pocket = (NormalUser) clazzOut01.newInstance();，此时，面向接口的版本也会报ClassCastException。

对于虚拟机来说，在接口的实现类，它并不 care 你的实现类的来源（哪个加载器加载的无所谓啦），符合接口定义就可以了。

但是当你指定类型转换的时候，它就要去做类型检查了。

第三个问题：抽象类为什么不行？

首先 YY 一下java.lang.AbstractMethodError：

当Pocket为抽象类时，根据抽象类的定义，要有特定实现类来执行。
而对于pocket = (Pocket) clazzOut01.newInstance();这句话，Pocket的强制类型转换是成功（因为Poket需要执行双亲委派逻辑，大家都是同一个Poket），但是当寻找实现类时就发现这个clazzOut01.newInstance()生出来的对象类型NormalUser不是自己想要的，虚拟机以为没有对应的实现，所以当执行到pocket.getBalance()时，虚拟机意味程序要单纯的执行Pocket的抽象方法，于是报错java.lang.AbstractMethodError。

如果上面的理解了，那么java.lang.ClassCastException也就好理解了：

对于pocket = (NormalUser) clazzOut01.newInstance();这句话，虚拟机会把clazzOut01.newInstance()产生的对象强制转换为NormalUser，到这里就回到第一个问题的答案了：clazzOut01所代表的NormalUser和要强转的NormalUser不是一个类型，虚拟机就直接报错了

结语

为啥这个要有结语呢？

因为不成熟的推测真的是本人 YY 的结果，不敢保证真实有效。如有错误之处，还望不吝赐教。

下一篇会续上Java虚拟机（五）垃圾收集（老是感觉要写写垃圾分类啥的，猪都不能吃的那种）