JVM进阶之路十四：类加载器和类加载机制

Posted 2021-06-19 三分恶

在上一章里，我们已经学习了类加载的过程，我们知道在加载阶段需要”通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流“，而来完成这个工作的就是类加载器（Class Loader）。

1、类与类加载器

类加载器只用于实现类的加载动作。

但对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每 一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。

这句话可以表达得更通俗一些：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则,即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个Java虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

如下演示了不同的类加载器对instanceof关键字运算的结果的影响。

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //自定义一个简单的类加载器
        ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            //加载类方法
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    //获取文件名
                    String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
                    //加载输入流
                    InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                    //使用父类加载
                    if (is == null) {
                        return super.loadClass(name);
                    }
                    byte[] b = new byte[is.available()];
                    is.read(b);
                    //从流中转化类的实例
                    return defineClass(name, b, 0, b.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException(name);
                }
            }
        };
        //使用自己实现的类加载器加载
        Object obj = myLoader.loadClass("cn.fighter3.loader.ClassLoaderTest").newInstance();
        System.out.println(obj.getClass());
        //实例判断
        System.out.println(obj instanceof cn.fighter3.loader.ClassLoaderTest);
    }
}

运行结果：

在代码里定义了一个简单的类加载器，使用这个类加载器去加载cn.fighter3.loader.ClassLoaderTest类并创建实例，去做类型检查的时候，发现结果是false。

2、双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来看，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；另外一种就是其他所有的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立存在于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。

站在Java开发人员的角度来看，类加载器就应当划分得更细致一些。自JDK 1.2以来，Java一直保持着三层类加载器、双亲委派的类加载架构。

双亲委派模型如上图：

• 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：负责加载存放在 <JAVA_HOME>\\lib目录，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的，能被Java虚拟机能够识别的（按照文件名识别，如rt.jar、tools.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类。
• 扩展类加载器（Extension Class Loader）：负责加载<JAVA_HOME>\\lib\\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。
• 应用程序类加载器（Application Class Loader）：负责加载用户类路径 （ClassPath）上所有的类库，如果没有自定义类加载器，一般情况下这个加载器就是程序中默认的类加载器。

用户还可以加入自定义的类加载器器来进行扩展。

双亲委派模型的工作过程：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送到最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时，子加载器才会尝试自己去完成加载。

为什么要用双亲委派机制呢？

答案是为了保证应用程序的稳定有序。

例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，通过双亲委派机制，保证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，保证Object的一致。反之，都由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己也编写了一个名为java.lang.Object的类，并放在程序的 ClassPath中，那系统中就会出现多个不同的Object类。

双亲委派模型的代码实现非常简单，在java.lang.ClassLoader.java中有一个 loadClass方法：

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先，判断类是否被加载过
            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 
                    // 说明父类加载器无法完成加载请求
                }

                if (c == null) {
                    // 在父类加载器无法加载时 
                    // 再调用本身的findClass方法来进行类加载
                    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;
        }
    }

3、破坏双亲委派模型

双亲委派机制在历史上主要有三次破坏：

第一次破坏

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JDK 1.2面世以前的“远古”时代。

由于双亲委派模型在JDK 1.2之后才被引入，但是类加载器的概念和抽象类 java.lang.ClassLoader则在Java的第一个版本中就已经存在，为了向下兼容旧代码，所以无法以技术手段避免loadClass()被子类覆盖的可能性，只能在JDK 1.2之后的java.lang.ClassLoader中添加一个新的 protected方法findClass()，并引导用户编写的类加载逻辑时尽可能去重写这个方法，而不是在 loadClass()中编写代码。

第二次破坏

双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷导致的，如果有基础类型又要调用回用户的代码，那该怎么办呢？

例如我们比较熟悉的JDBC:

各个厂商各有不同的JDBC的实现，Java在核心包\\lib里定义了对应的SPI，那么这个就毫无疑问由启动类加载器加载器加载。

但是各个厂商的实现，是没办法放在核心包里的，只能放在classpath里，只能被应用类加载器加载。那么，问题来了，启动类加载器它就加载不到厂商提供的SPI服务代码。

为了解决这个我呢提，引入了一个不太优雅的设计：线程上下文类加载器 （Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContext-ClassLoader()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。

JNDI服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需的SPI服务代码，这是一种父类加载器去请求子类加载器完成类加载的行为。

第三次破坏

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而导致的，例如代码热替换（Hot Swap）、模块热部署（Hot Deployment）等。

OSGi实现模块化热部署的关键是它自定义的类加载器机制的实现，每一个程序模块（OSGi中称为 Bundle）都有一个自己的类加载器，当需要更换一个Bundle时，就把Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。在OSGi环境下，类加载器不再双亲委派模型推荐的树状结构，而是进一步发展为更加复杂的网状结构。

“简单的事情重复做，重复的事情认真做，认真的事情有创造性地做！”——

我是三分恶，可以叫我老三/三分/三哥/三子，一个能文能武的全栈开发，咱们下期见！

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参考：

【1】：《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版） 》

【4】：读者美团五面：Java历史上有三次破坏双亲委派模型，是哪三次？