类加载器、双亲委派机制与打破(Driver、TCCL、Tomcat等)

类与类加载器、Class< T>

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。

这里所指的“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各种情况。如果没有注意到类 加载器的影响,在某些情况下可能会产生具有迷惑性的结果,代码清单7-8中演示了不同的类加载器对 instanceof关键字运算的结果的影响。

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  • Class是访问类型T定义的Java程序入口,在Java代码中,如果你想获取T的定义,如查看其方法定义,字段定义,首先要获取到对应的Class实例;
  • ClassLoader实例本身对Java而言,也是一个分配在堆中的一个对象,它管理着自己在方法区的一个区域。

双亲委派模型

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1、启动类加载器

  • 启动类加载器是使用C/C++语言实现的,是JVM的一部分
  • 它用来加载Java的核心库(JAVA_HOME/jre/lib/rt.jarresources.jarsun.boot.class.path路径下的内容),用于提供JVM自身需要的类
  • 并不继承自java.lang.ClassLolader,,没有父加载器。
  • 加载扩展类和应用程序类加载器
  • 出于安全考虑,Bootstrap启动类 加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类

一般而言,{JRE_HOME}/lib下存放着JVM正常工作所需要的系统类,如下表所示:

文件名 描述
rt.jar 运行环境包,rt即runtime,J2SE 的类定义都在这个包内
charsets.jar 字符集支持包
jce.jar 是一组包,它们提供用于加密、密钥生成和协商以及 Message Authentication Code(MAC)算法的框架和实现
jsse.jar 安全套接字拓展包Java™ Secure Socket Extension
classlist 该文件内表示是引导类加载器应该加载的类的清单
net.properties JVM 网络配置信息

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader) 加载系统类后,JVM内存会呈现如下格局:

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  • 引导类加载器将类信息加载到方法区中,以特定方式组织,对于某一个特定的类而言,在方法区中它应该有运行时常量池、类型信息、字段信息、方法信息、类加载器的引用,对应class实例的引用等信息。
  • 类加载器的引用,由于这些类是由引导类加载器(Bootstrap Classloader)进行加载的,而引导类加载器是有C+ +语言实现的,所以是无法访问的,故而该引用为NULL
  • 对应cLass实例的引用,类加载器在加载类信息放到方法区中后,会创建一个对应的Class 类型的实例放到堆(Heap)中,作为开发人员访问方法区中类定义的入口和切入点。

扩展类加载器

这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 中以Java代码的形式实现的。它负责加载**{JRE_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。如果用户创建的JAR放在此目录下,也会自动由扩展类加载器加载。

应用程序类加载器

·应用程序类加载器(Application Class Loader):这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystemClassLoader()方法的返回值,所以有些场合中也称它为“系统类加载器”。它负责加载用户类路径 (ClassPath)上所有的类库,开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。如果应用程序中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

用户自定义类加载器

用户可以自己定义类加载器来加载类。所有的类加载器都要继承java.lang.ClassLoader类。

线程上下文类加载器TCCL

public Launcher() {
	...
    try {
        this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
    } catch (IOException var9) {
        throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
    }
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
    ...
}

sun.misc.Launcher中,我们找到了答案,在Launcher初始化的时候,会获取AppClassLoader,然后将其设置为上下文类加载器,而这个AppClassLoader,就是之前上文提到的系统类加载器Application ClassLoader,所以上下文类加载器默认情况下就是应用程序类加载器(系统加载器)

双亲委派机制

如果一个类加载器收到类加载请求,它不会首先自己去加载这个类,而是将这个请求委派给父类加载器,每一层次的类加载器都如此,比如从自定义类加载器传到应用程序类加载器,再传到扩展类加载器,最终到启动类加载器,只有当父类加载器在其搜索范围内无法找到所需要的类,并将结果反馈给子类加载器时,子类加载器才会尝试自己去加载这个类。

简述:当某个类加载器需要加载某个.class文件时,它首先把这个任务委托给他的上级类加载器,递归这个操作,如果上级的类加载器没有加载,自己才会去加载这个类。

  • 如果一直到底层的类加载都没有加载到,那么就会抛出异常ClassNotFoundException
  • 这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承(Inheritance)的关系来实现的,而是通常使用组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。

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双亲委派实现

//提供class类的二进制名称表示,加载对应class,加载成功,则返回表示该类对应的Class instance 实例
    public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
    }    
    protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先,检查是否已经被当前的类加载器记载过了,如果已经被加载,直接返回对应的Class实例
            Class c = findLoadedClass(name);
                //初次加载
                if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        //如果有父类加载器,则先让父类加载器加载
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        // 没有父加载器,则查看是否已经被引导类加载器加载,有则直接返回
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }
                // 父加载器加载失败,并且没有被引导类加载器加载,则尝试该类加载器自己尝试加载
                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    // 自己尝试加载
                    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();
                }
            }
            //是否解析类 
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

双亲委派机制的作用:

  1. 避免类的重复加载

  2. 防止核心API被篡改,保护程序安全

参考:

java双亲委派机制及作用

Java虚拟机原理图解》5. JVM类加载器机制与类加载过程

图解Tomcat类加载机制(阿里面试题)

打破双亲委派机制

1. 重写loadClass()方法

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,面对已经存在的用户自定义类加载器的代 码,Java设计者们引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协,为了兼容这些已有代码,无法再以技术手段避免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。上节我们已经分析过loadClass()方法,双亲委派的具体逻辑就实现在这里面, 按照loadClass()方法的逻辑,如果父类加载失败,会自动调用自己的findClass()方法来完成加载,这样既不影响用户按照自己的意愿去加载类,又可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的

2. 使用线程上下文类加载器(TCCL )逆向获取类加载器

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,双亲委派很好地解决了各个类 加载器协作时基础类型的一致性问题(越基础的类由越上层的加载器进行加载),基础类型之所以被 称为“基础”,是因为它们总是作为被用户代码继承、调用的API存在,但程序设计往往没有绝对不变 的完美规则,如果有基础类型又要调用回用户的代码,那该怎么办呢?

这并非是不可能出现的事情,一个典型的例子便是JNDI服务,JNDI现在已经是Java的标准服务, 它的代码由启动类加载器来完成加载(在JDK 1.3时加入到rt.jar的),肯定属于Java中很基础的类型 了。但JNDI存在的目的就是对资源进行查找和集中管理,它需要调用由其他厂商实现并部署在应用程 序的ClassPath下的JNDI服务提供者接口(Service Provider Interface,SPI)的代码,现在问题来了,启 动类加载器是绝不可能认识、加载这些代码的,那该怎么办?

为了解决这个困境,Java的设计团队只好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。

有了线程上下文类加载器,程序就可以做一些“舞弊”的事情了。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,这种行 为实际上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,但也是无可奈何的事情。Java中涉及SPI的加载基本上都采用这种方式来完成,例如JNDI、 JDBC、JCE、JAXB和JBI等。不过,当SPI的服务提供者多于一个的时候,代码就只能根据具体提供 者的类型来硬编码判断,为了消除这种极不优雅的实现方式,在JDK 6时,JDK提供了java.util.ServiceLoader类,以META-INF/services中的配置信息,辅以责任链模式,这才算是给SPI的加 载提供了一种相对合理的解决方案。

2.1 JDBC如何打破双亲委派规则?

因为在某些情况下父类加载器需要委托子类加载器去加载class文件。受到加载范围的限制,父类加载器无法加载到需要的文件。

  • 以Driver接口为例,由于Driver接口定义在jdk当中的,而其实现由各个数据库的服务商来提供,比如mysql的就写了MySQL Connector,那么问题就来了,DriverManager(也由jdk提供)要加载各个实现了Driver接口的实现类,然后进行管理,但是DriverManager由启动类加载器加载,只能记载JAVA_HOME的lib下文件,而其实现是由服务商提供的,由系统类加载器加载,这个时候就需要启动类加载器来委托子类来加载Driver实现,从而破坏了双亲委派,这里仅仅是举了破坏双亲委派的其中一个情况。

更多关于SPI、TCCL与JDBC中Drive的内容参见:

【JVM】浅谈双亲委派和破坏双亲委派

真正理解线程上下文类加载器(多案例分析)

2.2 Tomcat中类加载Spring问题

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

类加载器、双亲委派机制与打破(Driver、TCCL、Tomcat等)_第5张图片

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。

转载自:真正理解线程上下文类加载器(多案例分析)

3. 代码热替换(Hot Swap)、模块热部署情况

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,这里所说的“动态 性”指的是一些非常“热”门的名词:代码热替换(Hot Swap)、模块热部署(Hot Deployment)等。

OSGI

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,当收到类加载请求时,OSGi将按照下面的顺序进行类搜索:

  • 1)将以java.*开头的类,委派给父类加载器加载。
  • 2)否则,将委派列表名单内的类,委派给父类加载器加载。
  • 3)否则,将Import列表中的类,委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。
  • 4)否则,查找当前Bundle的ClassPath,使用自己的类加载器加载。
  • 5)否则,查找类是否在自己的Fragment Bundle中,如果在,则委派给Fragment Bundle的类加载器 加载。
  • 6)否则,查找Dynamic Import列表的Bundle,委派给对应Bundle的类加载器加载。
  • 7)否则,类查找失败。

上面的查找顺序中只有开头两点仍然符合双亲委派模型的原则,其余的类查找都是在平级的类加载器中进行的

参考:

《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践(第3版》

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