类加载器与双亲委派模型

2018-09-07 本文已影响26人紫霞等了至尊宝五百年

1 类加载器

1.1 加载类的开放性

类加载器（ClassLoader）是Java语言的一项创新，也是Java流行的一个重要原因。
在类加载的第一阶段“加载”过程中，需要通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流，完成这个动作的代码块就是类加载器。这一动作是放在Java虚拟机外部去实现的，以便让应用程序自己决定如何获取所需的类。

虚拟机规范并没有指明二进制字节流要从一个Class文件获取，或者说根本没有指明从哪里获取、怎样获取。这种开放使得Java在很多领域得到充分运用，例如：

从ZIP包中读取，这很常见，成为JAR，EAR，WAR格式的基础
从网络中获取，最典型的应用就是Applet
运行时计算生成，最典型的是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流
有其他文件生成，最典型的JSP应用，由JSP文件生成对应的Class类
……

1.2 类加载器与类的唯一性

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但是对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身共同确立其在Java虚拟机中的唯一性。通俗的说，JVM中两个类是否“相等”，首先就必须是同一个类加载器加载的，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要类加载器不同，那么这两个类必定是不相等的。

这里的“相等”，包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。

以下代码说明了不同的类加载器对instanceof关键字运算的结果的影响。

package com.jvm.classloading;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

/**
 * 类加载器在类相等判断中的影响
 * 
 * instanceof关键字
 * 
 */

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 自定义类加载器
        ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
                    InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                    if (is == null) {
                        return super.loadClass(fileName);
                    }
                    byte[] b = new byte[is.available()];
                    is.read(b);
                    return defineClass(name, b, 0, b.length);   
                } catch (IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException();
                }
            }
        };

        // 使用ClassLoaderTest的类加载器加载本类
        Object obj1 = ClassLoaderTest.class.getClassLoader().loadClass("com.jvm.classloading.ClassLoaderTest").newInstance();
        System.out.println(obj1.getClass());
        System.out.println(obj1 instanceof com.jvm.classloading.ClassLoaderTest);

        // 使用自定义类加载器加载本类
        Object obj2 = myLoader.loadClass("com.jvm.classloading.ClassLoaderTest").newInstance();
        System.out.println(obj2.getClass());
        System.out.println(obj2 instanceof com.jvm.classloading.ClassLoaderTest);
    }
}

输出结果：

class com.jvm.classloading.ClassLoaderTest
true
class com.jvm.classloading.ClassLoaderTest
false

myLoader是自定义的类加载器，可以用来加载与自己在同一路径下的Class文件。main函数的第一部分使用系统加载主类ClassLoaderTest的类加载器加载ClassLoaderTest，输出显示，obj1的所属类型检查正确，这是虚拟机中有2个ClassLoaderTest类，一个是主类，另一个是main()方法中加载的类，由于这两个类使用同一个类加载器加载并且来源于同一个Class文件，因此这两个类是完全相同的。

第二部分使用自定义的类加载器加载ClassLoaderTest，class com.jvm.classloading.ClassLoderTest显示，obj2确实是类com.jvm.classloading.ClassLoaderTest实例化出来的对象，但是第二句输出false。此时虚拟机中有3个ClassLoaderTest类，由于第3个类的类加载器与前面2个类加载器不同，虽然来源于同一个Class文件，但它是一个独立的类，所属类型检查是返回结果自然是false。

2 双亲委派模型

2.1 类加载器种类

2.1.1 Java虚拟机的角度

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现（HotSpot虚拟机中），是虚拟机自身的一部分
所有其他的类加载器，这些类加载器都有Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自java.lang.ClassLoader

2.1.2 开发者的角度

启动（Bootstrap）类加载器
负责将 Java_Home/lib下面的类库加载到内存中（比如rt.jar）。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节，开发者无法直接获取到启动类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作
标准扩展（Extension）类加载器
是由 Sun 的 ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）实现的。它负责将Java_Home /lib/ext或者由系统变量 java.ext.dir指定位置中的类库加载到内存中。开发者可以直接使用标准扩展类加载器。
应用程序（Application）类加载器
是由 Sun 的 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）实现的。它负责将系统类路径中指定的类库加载到内存中。开发者可以直接使用系统类加载器。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，因此一般称为系统（System）加载器

除此之外，还有自定义的类加载器，它们之间的层次关系被称为类加载器的双亲委派模型。该模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应该有自己的父类加载器，而这种父子关系一般通过组合（Composition）关系来实现，而不是通过继承（Inheritance）

2.2 双亲委派模型过程

某个特定的类加载器在接到加载类的请求时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。

使用双亲委派模型的好处在于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，它存在于rt.jar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Bootstrap ClassLoader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，如果没有双亲委派模型而是由各个类加载器自行加载的话，如果用户编写了一个java.lang.Object的同名类并放在ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，程序将混乱。因此，如果开发者尝试编写一个与rt.jar类库中重名的Java类，可以正常编译，但是永远无法被加载运行。

2.3 双亲委派模型的系统实现

在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中，先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父加载失败，则抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载。

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.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

注意，双亲委派模型是Java设计者推荐给开发者的类加载器的实现方式，并不是强制规定的。
大多数的类加载器都遵循这个模型，但是JDK中也有较大规模破坏双亲模型的情况，例如线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）的出现，具体分析可以参见周志明著《深入理解Java虚拟机》。