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JVM-类加载器与双亲委派

jack
10
2019-05-09

类加载器

    类加载器负责加载所有的类，其为所有被载入内存中的类生成一个java.lang.Class实例对象。一旦一个类被加载如JVM中，同一个类就不会被再次载入了。正如一个对象有一个唯一的标识一样，一个载入JVM的类也有一个唯一的标识。在Java中，一个类用其全限定类名（包括包名和类名）作为标识；但在JVM中，一个类用其全限定类名和其类加载器作为其唯一标识。例如，如果在pg的包中有一个名为Person的类，被类加载器ClassLoader的实例kl负责加载，则该Person类对应的Class对象在JVM中表示为(Person.pg.kl)。

    从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

    从Java开发人员的角度来看，类加载器还可以划分得更细致一些，绝大部分Java程序都会使用到启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、拓展类加载器(Extension ClassLoader)、应用程序类加载器(Application ClassLoader)，有的Java程序还会使用到自定义类加载器。

类加载器

  • 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）:启动类加载器负责将存放在< JAVA_HOME >\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，那直接使用null代替即可。

  • 拓展类加载器（Extension ClassLoader）：拓展类加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载< JAVA_HOME >\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用拓展类加载器。

  • 应用程序类加载器（Application ClassLoader）:应用程序类加载器也成系统类加载器，应用程序类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

双亲委派模型

    双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

    使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反，如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个成为java.lang.Object类，并放在程序的ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱，并且也不安全。

    双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作很重要，但它的实现却非常简单，实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader中的loadClass()方法之中。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 首先，检查请求的类是否已经被加载
        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) {
                // 如果父类加载器抛出ClassNotFoundException,说明父类无法完成加载请求
            }

            if (c == null) {
                // 在父类加载器无法加载的时候，再调用本身的findClass方法来进行类加载
                long t1 = System.nanoTime();
                c = findClass(name);

                // 这是定义类装入器，记录统计信息
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

    在java.lang.ClassLoader中也包含了findClass方法，源码如下。

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

    这只是一个空方法，返回内容为class，方法其中没有任何内容，只抛出了个异常，说明这个方法需要开发者自己去实现。也就是说当我们需要自定义类加载器时，想要继续遵循双亲委派模型就只要重写findClass方法即可，下面是实现自定义类加载器的一个小示例。

public class MyClassLoader extends ClassLoader {

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        File f = new File(name);//此处name是指class文件在磁盘中的绝对路径
        try(
            FileInputStream fis = new FileInputStream(f);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream()
            )
        {
            int b = 0;
            while ((b=fis.read()) !=0) {
                baos.write(b);
            }
            byte[] bytes = baos.toByteArray();
            // defineClass将字节码转化为Class
            return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return super.findClass(name);
    }

}

破坏双亲委派模型

    双亲委派模型并不是一个强制性的约束模型，而是Java设计师推荐给开发者的类加载器实现方式。在Java的世界中大部分的类加载器都遵循这个模型，但也有例外，在JDK1.9之前，双亲委派模型主要出现过3次较大规模的“被破坏”情况。

  • 双亲委派模型的第一次“被破坏”其实发生在双亲委派模型出现之前——即JDK1.2发布之前。由于双亲委派模型在JDK1.2之后才被引入，而类加载器和抽象类java.lang.ClassLoader则在JDK1.0时代就已经存在，面对已经存在的用户自定义加载器的实现代码，Java设计者引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协。为了向前兼容，JDK1.2之后的java.lang.ClassLoader添加了一个新的protected方法findClass()，在此之前，用户去继承java.lang.ClassLoader的唯一目的就是重写loadClass()方法，因为虚拟机在进行类加载的时候会调用加载器的私有方法loadClassInternal()，而这个方法的唯一逻辑就是调用自己的loadClass()。

  • 双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷所导致的，双亲委派很好的解决了各个类加载器的基础类的统一问题（越基础的类由越上层的加载器进行加载），基础类之所以成为“基础”，是因为它们总是作为被用户代码调用的API，但世事往往没有绝对的完美，如果基础类又要调用回用户的代码，那该怎么办？

    这并非是不可能的事情，一个典型的例子便是JNDI服务，JNDI服务现在已经是Java的标准服务，它的代码由启动类加载器去加载（在JDK1.3时放进去的rt.jar），但JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找，它需要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI接口提供者（SPI，Service Provider Interface）的代码，但启动类加载器不可能“认识”这些代码啊！那该怎么办？

    为了解决这个问题，Java设计团队只要引入了一个不太优雅的设计：线程上下文加载器（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader()方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

    有了线程上下文类加载器，就可以做一些“舞弊”的事情了，JNDI服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需要的SPI代码，也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作，这种行为实际上就是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器，实际上已经违背了双亲委派模型的一般性原则，但这也是无可奈何的事情。Java中所涉及SPI的加载动作基本上都采用这种方式，例如JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等。

  • 双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求导致的，这里所说的“动态性”指的是当前一些非常“热门”的名词：代码热替换、模块热部署等，简答的说就是机器不用重启，只要部署上就能用。

参考资料：《深入理解Java虚拟机》

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