真正理解线程上下文类加载器（多案例分析）

Posted 2023-02-26 小杨Vita

前置知识： java类加载器不完整分析

#前言
此前我对线程上下文类加载器（ThreadContextClassLoader，下文使用TCCL表示）的理解仅仅局限于下面这段话：

Java 提供了很多服务提供者接口（Service Provider Interface，SPI），允许第三方为这些接口提供实现。常见的 SPI 有 JDBC、JCE、JNDI、JAXP 和 JBI 等。

这些 SPI 的接口由 Java 核心库来提供，而这些 SPI 的实现代码则是作为 Java 应用所依赖的 jar 包被包含进类路径（CLASSPATH）里。SPI接口中的代码经常需要加载具体的实现类。那么问题来了，SPI的接口是Java核心库的一部分，是由**启动类加载器(Bootstrap Classloader)来加载的；SPI的实现类是由系统类加载器(System ClassLoader)**来加载的。引导类加载器是无法找到 SPI 的实现类的，因为依照双亲委派模型，BootstrapClassloader无法委派AppClassLoader来加载类。

而线程上下文类加载器破坏了“双亲委派模型”，可以在执行线程中抛弃双亲委派加载链模式，使程序可以逆向使用类加载器。

一直困恼我的问题就是，它是如何打破了双亲委派模型？又是如何逆向使用类加载器了？直到今天看了jdbc的驱动加载过程才茅塞顿开，其实并不复杂，只是一直没去看代码导致理解不够到位。

JDBC案例分析

我们先来看平时是如何使用mysql获取数据库连接的：

// 加载Class到AppClassLoader（系统类加载器），然后注册驱动类
// Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver").newInstance(); 
String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/testdb";    
// 通过java库获取数据库连接
Connection conn = java.sql.DriverManager.getConnection(url, "name", "password"); 

以上就是mysql注册驱动及获取connection的过程，各位可以发现经常写的Class.forName被注释掉了，但依然可以正常运行，这是为什么呢？这是因为从Java1.6开始自带的jdbc4.0版本已支持SPI服务加载机制，只要mysql的jar包在类路径中，就可以注册mysql驱动。

那到底是在哪一步自动注册了mysql driver的呢？重点就在DriverManager.getConnection()中。我们都是知道调用类的静态方法会初始化该类，进而执行其静态代码块，DriverManager的静态代码块就是：

static 
    loadInitialDrivers();
    println("JDBC DriverManager initialized");

初始化方法loadInitialDrivers()的代码如下：

private static void loadInitialDrivers() 
    String drivers;
    try 
		// 先读取系统属性
		drivers = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() 
            public String run() 
                return System.getProperty("jdbc.drivers");
            
        );
     catch (Exception ex) 
        drivers = null;
    
    // 通过SPI加载驱动类
    AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() 
        public Void run() 
            ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
            Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
            try
                while(driversIterator.hasNext()) 
                    driversIterator.next();
                
             catch(Throwable t) 
                // Do nothing
            
            return null;
        
    );
    // 继续加载系统属性中的驱动类
    if (drivers == null || drivers.equals("")) 
        return;
    
    
    String[] driversList = drivers.split(":");
    println("number of Drivers:" + driversList.length);
    for (String aDriver : driversList) 
        try 
            println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
            // 使用AppClassloader加载
            Class.forName(aDriver, true,
                    ClassLoader.getSystemClassLoader());
         catch (Exception ex) 
            println("DriverManager.Initialize: load failed: " + ex);
        
    

从上面可以看出JDBC中的DriverManager的加载Driver的步骤顺序依次是：

1. 通过SPI方式，读取 META-INF/services 下文件中的类名，使用TCCL加载；
2. 通过System.getProperty("jdbc.drivers")获取设置，然后通过系统类加载器加载。
   下面详细分析SPI加载的那段代码。

JDBC中的SPI

先来看看什么是SP机制，引用一段博文中的介绍：

SPI机制简介
SPI的全名为Service Provider Interface，主要是应用于厂商自定义组件或插件中。在java.util.ServiceLoader的文档里有比较详细的介绍。简单的总结下java SPI机制的思想：我们系统里抽象的各个模块，往往有很多不同的实现方案，比如日志模块、xml解析模块、jdbc模块等方案。面向的对象的设计里，我们一般推荐模块之间基于接口编程，模块之间不对实现类进行硬编码。一旦代码里涉及具体的实现类，就违反了可拔插的原则，如果需要替换一种实现，就需要修改代码。为了实现在模块装配的时候能不在程序里动态指明，这就需要一种服务发现机制。 Java SPI就是提供这样的一个机制：为某个接口寻找服务实现的机制。有点类似IOC的思想，就是将装配的控制权移到程序之外，在模块化设计中这个机制尤其重要。
SPI具体约定
Java SPI的具体约定为：当服务的提供者提供了服务接口的一种实现之后，在jar包的META-INF/services/目录里同时创建一个以服务接口命名的文件。该文件里就是实现该服务接口的具体实现类。而当外部程序装配这个模块的时候，就能通过该jar包META-INF/services/里的配置文件找到具体的实现类名，并装载实例化，完成模块的注入。基于这样一个约定就能很好的找到服务接口的实现类，而不需要再代码里制定。jdk提供服务实现查找的一个工具类：java.util.ServiceLoader。

知道SPI的机制后，我们来看刚才的代码：

ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();

try
    while(driversIterator.hasNext()) 
        driversIterator.next();
    
 catch(Throwable t) 
// Do nothing

注意driversIterator.next()最终就是调用Class.forName(DriverName, false, loader)方法，也就是最开始我们注释掉的那一句代码。好，那句因SPI而省略的代码现在解释清楚了，那我们继续看给这个方法传的loader是怎么来的。

因为这句Class.forName(DriverName, false, loader)代码所在的类在java.util.ServiceLoader类中，而ServiceLoader.class又加载在BootrapLoader中，因此传给 forName 的 loader 必然不能是BootrapLoader，复习双亲委派加载机制请看：java类加载器不完整分析 。这时候只能使用TCCL了，也就是说把自己加载不了的类加载到TCCL中（通过Thread.currentThread()获取，简直作弊啊！）。上面那篇文章末尾也讲到了TCCL默认使用当前执行的是代码所在应用的系统类加载器AppClassLoader。

再看下看ServiceLoader.load(Class)的代码，的确如此：

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) 
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);

ContextClassLoader默认存放了AppClassLoader的引用，由于它是在运行时被放在了线程中，所以不管当前程序处于何处（BootstrapClassLoader或是ExtClassLoader等），在任何需要的时候都可以用Thread.currentThread().getContextClassLoader()取出应用程序类加载器来完成需要的操作。

到这儿差不多把SPI机制解释清楚了。直白一点说就是，我（JDK）提供了一种帮你（第三方实现者）加载服务（如数据库驱动、日志库）的便捷方式，只要你遵循约定（把类名写在/META-INF里），那当我启动时我会去扫描所有jar包里符合约定的类名，再调用forName加载，但我的ClassLoader是没法加载的，那就把它加载到当前执行线程的TCCL里，后续你想怎么操作（驱动实现类的static代码块）就是你的事了。

好，刚才说的驱动实现类就是com.mysql.jdbc.Driver.Class，它的静态代码块里头又写了什么呢？是否又用到了TCCL呢？我们继续看下一个例子。

校验实例的归属

com.mysql.jdbc.Driver加载后运行的静态代码块:

static 
	try 
		// Driver已经加载到TCCL中了，此时可以直接实例化
		java.sql.DriverManager.registerDriver(new com.mysql.jdbc.Driver());
	 catch (SQLException E) 
		throw new RuntimeException("Can't register driver!");
	

registerDriver方法将driver实例注册到系统的java.sql.DriverManager类中，其实就是add到它的一个名为registeredDrivers的静态成员CopyOnWriteArrayList中 。

到此驱动注册基本完成，接下来我们回到最开始的那段样例代码：java.sql.DriverManager.getConnection()。它最终调用了以下方法：

private static Connection getConnection(
     String url, java.util.Properties info, Class<?> caller) throws SQLException 
     /* 传入的caller由Reflection.getCallerClass()得到，该方法
      * 可获取到调用本方法的Class类，这儿获取到的是当前应用的类加载器
      */
     ClassLoader callerCL = caller != null ? caller.getClassLoader() : null;
     synchronized(DriverManager.class) 
         if (callerCL == null) 
             callerCL = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
         
     

     if(url == null) 
         throw new SQLException("The url cannot be null", "08001");
     

     SQLException reason = null;
     // 遍历注册到registeredDrivers里的Driver类
     for(DriverInfo aDriver : registeredDrivers) 
         // 检查Driver类有效性
         if(isDriverAllowed(aDriver.driver, callerCL)) 
             try 
                 println("    trying " + aDriver.driver.getClass().getName());
                 // 调用com.mysql.jdbc.Driver.connect方法获取连接
                 Connection con = aDriver.driver.connect(url, info);
                 if (con != null) 
                     // Success!
                     return (con);
                 
              catch (SQLException ex) 
                 if (reason == null) 
                     reason = ex;
                 
             

          else 
             println("    skipping: " + aDriver.getClass().getName());
         

     
     throw new SQLException("No suitable driver found for "+ url, "08001");
 

private static boolean isDriverAllowed(Driver driver, ClassLoader classLoader) 
    boolean result = false;
    if(driver != null) 
        Class<?> aClass = null;
        try 
	    // 传入的classLoader为调用getConnetction的当前类加载器，从中寻找driver的class对象
            aClass =  Class.forName(driver.getClass().getName(), true, classLoader);
         catch (Exception ex) 
            result = false;
        
	// 注意，只有同一个类加载器中的Class使用==比较时才会相等，此处就是校验用户注册Driver时该Driver所属的类加载器与调用时的是否同一个
	// driver.getClass()拿到就是当初执行Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")时的应用AppClassLoader
        result = ( aClass == driver.getClass() ) ? true : false;
    

    return result;

由于TCCL本质就是当前应用类加载器，所以之前的初始化就是加载在当前的类加载器中，这一步就是校验存放的driver是否属于调用者的Classloader。例如在下文中的tomcat里，多个webapp都有自己的Classloader，如果它们都自带 mysql-connect.jar包，那底层Classloader的DriverManager里将注册多个不同类加载器的Driver实例，想要区分只能靠TCCL了。

Tomcat与spring的类加载器案例

接下来将介绍《深入理解java虚拟机》一书中的案例，并解答它所提出的问题。（部分类容来自于书中原文）

Tomcat中的类加载器

在Tomcat目录结构中，有三组目录（“/common/*”,“/server/*”和“shared/*”）可以存放公用Java类库，此外还有第四组Web应用程序自身的目录“/WEB-INF/*”，把java类库放置在这些目录中的含义分别是：

• 放置在common目录中：类库可被Tomcat和所有的Web应用程序共同使用。
• 放置在server目录中：类库可被Tomcat使用，但对所有的Web应用程序都不可见。
• 放置在shared目录中：类库可被所有的Web应用程序共同使用，但对Tomcat自己不可见。
• 放置在/WebApp/WEB-INF目录中：类库仅仅可以被此Web应用程序使用，对Tomcat和其他Web应用程序都不可见。

为了支持这套目录结构，并对目录里面的类库进行加载和隔离，Tomcat自定义了多个类加载器，这些类加载器按照经典的双亲委派模型来实现，如下图所示

灰色背景的3个类加载器是JDK默认提供的类加载器，这3个加载器的作用前面已经介绍过了。而 CommonClassLoader、CatalinaClassLoader、SharedClassLoader 和 WebAppClassLoader 则是 Tomcat 自己定义的类加载器，它们分别加载 /common/*、/server/*、/shared/* 和 /WebApp/WEB-INF/* 中的 Java 类库。其中 WebApp 类加载器和 Jsp 类加载器通常会存在多个实例，每一个 Web 应用程序对应一个 WebApp 类加载器，每一个 JSP 文件对应一个 Jsp 类加载器。

从图中的委派关系中可以看出，CommonClassLoader 能加载的类都可以被 CatalinaClassLoader 和 SharedClassLoader 使用，而 CatalinaClassLoader 和 SharedClassLoader 自己能加载的类则与对方相互隔离。WebAppClassLoader 可以使用 SharedClassLoader 加载到的类，但各个 WebAppClassLoader 实例之间相互隔离。而 JasperLoader 的加载范围仅仅是这个 JSP 文件所编译出来的那一个 Class，它出现的目的就是为了被丢弃：当服务器检测到 JSP 文件被修改时，会替换掉目前的 JasperLoader 的实例，并通过再建立一个新的 Jsp 类加载器来实现 JSP 文件的 HotSwap 功能。

Spring加载问题

Tomcat 加载器的实现清晰易懂，并且采用了官方推荐的“正统”的使用类加载器的方式。这时作者提一个问题：如果有 10 个 Web 应用程序都用到了spring的话，可以把Spring的jar包放到 common 或 shared 目录下让这些程序共享。Spring 的作用是管理每个web应用程序的bean，getBean时自然要能访问到应用程序的类，而用户的程序显然是放在 /WebApp/WEB-INF 目录中的（由 WebAppClassLoader 加载），那么在 CommonClassLoader 或 SharedClassLoader 中的 Spring 容器如何去加载并不在其加载范围的用户程序（/WebApp/WEB-INF/）中的Class呢？

解答

答案呼之欲出：spring根本不会去管自己被放在哪里，它统统使用TCCL来加载类，而TCCL默认设置为了WebAppClassLoader，也就是说哪个WebApp应用调用了spring，spring就去取该应用自己的WebAppClassLoader来加载bean，简直完美~

源码分析

有兴趣的可以接着看看具体实现。在web.xml中定义的listener为org.springframework.web.context.ContextLoaderListener，它最终调用了org.springframework.web.context.ContextLoader类来装载bean，具体方法如下（删去了部分不相关内容）：

public WebApplicationContext initWebApplicationContext(ServletContext servletContext) 
	try 
		// 创建WebApplicationContext
		if (this.context == null) 
			this.context = createWebApplicationContext(servletContext);
		
		// 将其保存到该webapp的servletContext中		
		servletContext.setAttribute(WebApplicationContext.ROOT_WEB_APPLICATION_CONTEXT_ATTRIBUTE, this.context);
		// 获取线程上下文类加载器，默认为WebAppClassLoader
		ClassLoader ccl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
		// 如果spring的jar包放在每个webapp自己的目录中
		// 此时线程上下文类加载器会与本类的类加载器（加载spring的）相同，都是WebAppClassLoader
		if (ccl == ContextLoader.class.getClassLoader()) 
			currentContext = this.context;
		
		else if (ccl != null) 
			// 如果不同，也就是上面说的那个问题的情况，那么用一个map把刚才创建的WebApplicationContext及对应的WebAppClassLoader存下来
			// 一个webapp对应一个记录，后续调用时直接根据WebAppClassLoader来取出
			currentContextPerThread.put(ccl, this.context);
		
		
		return this.context;
	
	catch (RuntimeException ex) 
		logger.error("Context initialization failed", ex);
		throw ex;
	
	catch (Error err) 
		logger.error("Context initialization failed", err);
		throw err;
	

具体说明都在注释中，spring考虑到了自己可能被放到其他位置，所以直接用TCCL来解决所有可能面临的情况。

总结

通过上面的两个案例分析，我们可以总结出线程上下文类加载器的适用场景：

1. 当高层提供了统一接口让低层去实现，同时又要是在高层加载（或实例化）低层的类时，必须通过线程上下文类加载器来帮助高层的ClassLoader找到并加载该类。
2. 当使用本类托管类加载，然而加载本类的ClassLoader未知时，为了隔离不同的调用者，可以取调用者各自的线程上下文类加载器代为托管。