深入理解JVM类加载器与双亲委派模型

Posted 2020-08-31 XiaoTeng

原文链接：http://blog.csdn.net/u011080472/article/details/51332866,http://www.cnblogs.com/lanxuezaipiao/p/4138511.html

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 
  ……

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。

 

 1 package com.jvm.classloading;
 2 
 3 import java.io.IOException;
 4 import java.io.InputStream;
 5 
 6 /**
 7  * 类加载器在类相等判断中的影响
 8  * 
 9  * instanceof关键字
10  * 
11  */
12 
13 public class ClassLoaderTest {
14     public static void main(String[] args) throws Exception {
15         // 自定义类加载器
16         ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
17             @Override
18             public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
19                 try {
20                     String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
21                     InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
22                     if (is == null) {
23                         return super.loadClass(fileName);
24                     }
25                     byte[] b = new byte[is.available()];
26                     is.read(b);
27                     return defineClass(name, b, 0, b.length);   
28                 } catch (IOException e) {
29                     throw new ClassNotFoundException();
30                 }
31             }
32         };
33 
34         // 使用ClassLoaderTest的类加载器加载本类
35         Object obj1 = ClassLoaderTest.class.getClassLoader().loadClass("com.jvm.classloading.ClassLoaderTest").newInstance();
36         System.out.println(obj1.getClass());
37         System.out.println(obj1 instanceof com.jvm.classloading.ClassLoaderTest);
38 
39         // 使用自定义类加载器加载本类
40         Object obj2 = myLoader.loadClass("com.jvm.classloading.ClassLoaderTest").newInstance();
41         System.out.println(obj2.getClass());
42         System.out.println(obj2 instanceof com.jvm.classloading.ClassLoaderTest);
43     }
44 }

 

输出结果：

1 class com.jvm.classloading.ClassLoaderTest
2 true
3 class com.jvm.classloading.ClassLoaderTest
4 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。

双亲委派模型

类加载器种类

从Java虚拟机的角度来说，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（HotSpot虚拟机中），是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都有Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自java.lang.ClassLoader。

从开发者的角度，类加载器可以细分为：

• 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（CLASSPATH）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）。

双亲委派模型

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，它存在在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。

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。

 1 protected synchronized Class<?> loadClass(String name,boolean resolve)throws ClassNotFoundException{
 2     //check the class has been loaded or not
 3     Class c = findLoadedClass(name);
 4     if(c == null){
 5         try{
 6             if(parent != null){
 7                 c = parent.loadClass(name,false);
 8             }else{
 9                 c = findBootstrapClassOrNull(name);
10             }
11         }catch(ClassNotFoundException e){
12             //if throws the exception ,the father can not complete the load
13         }
14         if(c == null){
15             c = findClass(name);
16         }
17     }
18     if(resolve){
19         resolveClass(c);
20     }
21     return c;
22 }

 

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》。

关于Java类加载双亲委派机制的思考（附一道面试题）

几点思考

1.Java虚拟机的第一个类加载器是Bootstrap，这个加载器很特殊，它不是Java类，因此它不需要被别人加载，它嵌套在Java虚拟机内核里面，也就是JVM启动的时候Bootstrap就已经启动，它是用C++写的二进制代码（不是字节码），它可以去加载别的类。

　　这也是我们在测试时为什么发现System.class.getClassLoader()结果为null的原因，这并不表示System这个类没有类加载器，而是它的加载器比较特殊，是BootstrapClassLoader，由于它不是Java类，因此获得它的引用肯定返回null。

2.委托机制具体含义
　　当Java虚拟机要加载一个类时，到底派出哪个类加载器去加载呢？

　　*首先当前线程的类加载器去加载线程中的第一个类（假设为类A）。
　　　　注：当前线程的类加载器可以通过Thread类的getContextClassLoader()获得，也可以通过setContextClassLoader()自己设置类加载器。
　　*如果类A中引用了类B，Java虚拟机将使用加载类A的类加载器去加载类B。
　　*还可以直接调用ClassLoader.loadClass()方法来指定某个类加载器去加载某个类。

3.委托机制的意义 — 防止内存中出现多份同样的字节码
　　比如两个类A和类B都要加载System类：

　　*如果不用委托而是自己加载自己的，那么类A就会加载一份System字节码，然后类B又会加载一份System字节码，这样内存中就出现了两份System字节码。
　　*如果使用委托机制，会递归的向父类查找，也就是首选用Bootstrap尝试加载，如果找不到再向下。这里的System就能在Bootstrap中找到然后加载，如果此时类B也要加载System，也从Bootstrap开始，此时Bootstrap发现已经加载过了System那么直接返回内存中的System即可而不需要重新加载，这样内存中就只有一份System的字节码了。

一道面试题

能不能自己写个类叫java.lang.System？

答案：通常不可以，但可以采取另类方法达到这个需求。 
解释：为了不让我们写System类，类加载采用委托机制，这样可以保证爸爸们优先，爸爸们能找到的类，儿子就没有机会加载。而System类是Bootstrap加载器加载的，就算自己重写，也总是使用Java系统提供的System，自己写的System类根本没有机会得到加载。

但是，我们可以自己定义一个类加载器来达到这个目的，为了避免双亲委托机制，这个类加载器也必须是特殊的。由于系统自带的三个类加载器都加载特定目录下的类，如果我们自己的类加载器放在一个特殊的目录，那么系统的加载器就无法加载，也就是最终还是由我们自己的加载器加载。