类加载器与双亲委派模型

类加载器

什么是类加载器？

虚拟机设计团队把类加载阶段中的"通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流"这个动作放到虚拟机外部实现，以便让应用程序自己决定去获取所需要的类，实现这个动作的代码模块被称为"类加载器"。

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一同确立其在Java虚拟机的唯一性。通俗的说，比较两个类是否"相等"，只有在这两个类是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，只要加载它们的类加载器不同，那么这两个类就必定不相等(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，也包括了使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况)

下面代码是不同的类加载器对instanceof关键字运算结果的影响

package vituralMachine;

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

/**
 * 类加载器与instanceof关键字演示
 */
public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        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(name);
                    }
                    byte[] b = new byte[is.available()];
                    is.read(b);
                    return  defineClass(name,b,0,b.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException(name);
                }
            }
        };
        Object obj = myLoader.loadClass("vituralMachine.ClassLoaderTest").newInstance();
        System.out.println(obj.getClass());
        System.out.println(obj instanceof vituralMachine.ClassLoaderTest);
    }
}

运行结果：

class vituralMachine.ClassLoaderTest
false
两行输出结果中，从第一句可以看到这个对象确实是类vituralMachine.ClassLoaderTest实例化出来的对象，但从第二句可以发现这个对象与类vituralMachine.ClassLoaderTest做所属类型检查的时候却返回了false,这是因为虚拟机存在两个ClassLoaderTest类，一个是由系统应用程序类加载器加载的，另一个是由我们自定义的类加载器加载的，虽然都来自同一个Class文件，但仍然是两个独立的类，做对象所属类型检查时结果自然为false.
双亲委派模型

站在Java虚拟机的角度讲，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++实现，是虚拟机的一部分：另外一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader.

从Java开发人员的角度看，类加载器还可以划分的更细致一些，绝大部分Java程序都会使用到以下三种系统提供的类加载器：

1.启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）:前面已经介绍过，这个类加载器负责将存放在\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。

2.扩展类加载器（Extension ClassLoader）:这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载\lib\ext目录中的，或者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扩展类加载器。

3.应用程序类加载器（Application ClassLoader）:这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值所以一般也称为系统类加载器。它负责加载用户路径（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。

我们的应用程序都是由这三种类加载器相互配合进行加载的，如果有必要，可以加入自己定义的类加载器，这些类加载器之间的关系如下图

上图展示的类加载器之间的层次关系，称为类加载器的双亲委派模型(Parents Delegation Model)。双亲委派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当有自己的父类加载器，这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系实现，而都是使用组合关系复用父加载器的代码。双亲委派模型的工作流程是：如果一个类加载器收到了类加载器的请求，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，无论哪个类加载器要加载这个类，最终都是委派给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，由各个类加载器去自己加载的话，如果用户自己写了一个java.lang.Object的类，并存放在ClassPath中，那么系统会存在多个不同的Object类Java类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将变得混乱。如果尝试写一个与rt.jar类库中已有类重名的Java类，将会发现可以正常编译，但是永远不会被加载。

双亲委派模型对于保证Java程序的稳定非常重要，但是它的实现非常简单，实现双亲委派的代码集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中，先检查是否已经被加载过，若没有被加载则调用父加载器的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。如果父类加载失败，则抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载，下面是实现代码

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;
    }
}

破坏双亲模型

1.双亲委派模型第一次"被破坏"发生在双亲委派模型出现之前-即jdk1.2发布之前，因为双亲委派是jdk1.2之后才被引入的，而类加载器和抽象类jav.lang.ClassLoader则是jdk1.0时代就存在了，面对已经存在的用户自定义类加载代码，为了向前兼容，jdk1.2之后的java.lang.ClassLoader添加了一个新的protected方法的findClass()，在此之前，用户去继承java.lang.ClassLoader的唯一目的是重写loadClass()方法，因为虚拟机在进行类加载时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().双亲委派的具体逻辑就是实现在这个方法中，jdk1.2之后不提倡用户覆盖loadClass()房，而是应当把类加载逻辑写到findClass()方法中，在loadClass()方法的逻辑里如果父类加载失败，则会调用自己的findClass()方法来完成加载，这样就可以保证新写出来的类加载是符合双亲委派规则的。

2.双亲委派模型模型的第二次"被破坏"是由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，但是如果基础类又要调用回用户代码，怎么办呢？为了解决这个困境，Java设计团队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，它将会从父线程继承一个：如果在应用程序的全局范围内都没有设置过，那么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，JNDI服务就是使用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，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中所有涉及SPI(Service Provider Interface)的加载动作基本都采用这种方式，例如JNDI,JDBC,JCE,JAXB等。

3.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所导致的，这里的"动态性"指的是当前非常"热"门的名词：代码热替换（HotSwap）,模块热部署（Hot Deployment），说白了就是希望应用程序能够像我们的电脑外设一样，插上鼠标或者U盘，不用重启机器就能立即使用。对于个人电脑来说，重启一次没关系，但是对于一些生产系统来说，关机重启一次可能被列为生产事故，这种情况热部署就对软件开发者，尤其是企业级软件开发者具有很大的吸引力。