类加载器-双亲委派机制
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一、概述
除了根类加载器之外，其他的类加载器都需要有自己的父加载器。从JDK1.2开始，类的加载过程采用双亲委派机制，这种机制能够很好的保护java程序的安全。除了虚拟机自带的根类加载器之外，其余的类加载器都有唯一的父加载器。比如，如果需要classLoader加载一个类时，该classLoader先委托自己的父加载器先去加载这个类，若父加载器能够加载，则由父加载器加载，否则才有classLoader自己加载这个类。即每个类加载器都很懒，加载类时都先让父加载器去尝试加载，一直到根类加载器，加载不到时自己才去加载。真正加载类的加载器我们叫做启动类加载器。注意，双亲委派机制的父子关系并非面向对象程序设计中的继承关系，而是通过使用组合模式来复用父加载器代码。
这种机制如下图所示：
public class ClassLoaderDemo1 {
public static void main(String[] args) throws Exception{
//演示类加载器的父子关系
ClassLoader loader = ClassLoaderDemo1.class.getClassLoader();
while(loader!=null){
System.out.println(loader);
loader = loader.getParent();
}
}
}
运行结果：
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b6d3586
使用双亲委派机制的好处：
1、可以避免类的重复加载，当父类加载器已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。
2、考虑到安全因素，java核心api中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为java.lang.Object的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Object，而直接返回已加载过的Object.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。
//定义一个类，注意包名
package java.lang;
public class MyObject {
}
//加载该类
public static void main(String[] args) {
Class clazz = MyObject.class;
System.out.println(clazz.getClassLoader());
}
//输出结果
Exception in thread "main" java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
因为java.lang包属于核心包，只能由根类加载器进行加载，而根据类加载的双亲委派机制，根类加载器是加载不到这个MyObject类的（自定义的），所以只能由AppClassLoader进行加载，而这又不是允许的，所以会报出“Prohibited package name: java.lang”（禁止的包名）错误。
二、ClassLoader
所有的类加载器（除了根类加载器）都必须继承java.lang.ClassLoader。它是一个抽象类，主要的方法如下：
1、loadClass
在ClassLoader的源码中，有一个方法loadClass(String name,boolean resolve)，这里就是双亲委托模式的代码实现。从源码中我们可以观察到它的执行顺序。需要注意的是，只有父类加载器加载不到类时，会调用findClass方法进行类的查找，所以，在定义自己的类加载器时，不要覆盖掉该方法，而应该覆盖掉findClass方法。
//ClassLoader类的loadClass源码
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;
}
}
API介绍：
2、findClass
在自定义类加载器时，一般我们需要覆盖这个方法，且ClassLoader中给出了一个默认的错误实现。
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
3、defineClass
该方法的签名如下。用来将byte字节解析成虚拟机能够识别的Class对象。defineClass()方法通常与findClass()方法一起使用。在自定义类加载器时，会直接覆盖ClassLoader的findClass()方法获取要加载类的字节码，然后调用defineClass()方法生成Class对象。
protected final Class<?> defineClass(String name,byte[] b,int off,int len) throws ClassFormatError
4、resolveClass
连接指定的类，类加载器可以使用此方法来连接类。
三、URLClassLoader
在java.net包中，JDK提供了一个更加易用的类加载器URLClassLoader，它扩展了ClassLoader，能够从本地或者网络上指定的位置加载类。我们可以使用该类作为自定义的类加载器使用。
构造方法：
- public URLClassLoader(URL[] urls)：指定要加载的类所在的URL地址，父类加载器默认为系统类加载器。
- public URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent)：指定要加载的类所在的URL地址，并指定父类加载器。
案例1：加载磁盘上的类
public static void main(String[] args) throws Exception{
File file = new File("d:/");
URI uri = file.toURI();
URL url = uri.toURL();
URLClassLoader classLoader = new URLClassLoader(new URL[]{url});
System.out.println(classLoader.getParent());
Class aClass = classLoader.loadClass("com.itheima.Demo");
Object obj = aClass.newInstance();
}
案例2：加载网络上的类
public static void main(String[] args) throws Exception{
URL url = new URL("http://localhost:8080/examples/");
URLClassLoader classLoader = new URLClassLoader(new URL[]{url});
System.out.println(classLoader.getParent());
Class aClass = classLoader.loadClass("com.itheima.Demo");
aClass.newInstance();
}
四、自定义类加载器
我们如果需要自定义类加载器，只需要继承ClassLoader类，并覆盖掉findClass方法即可。
1、自定义文件类加载器
package com.itheima.base.classloader;
import sun.applet.Main;
import java.io.*;
public class MyFileClassLoader extends ClassLoader {
private String directory;//被加载的类所在的目录
/**
* 指定要加载的类所在的文件目录
* @param directory
*/
public MyFileClassLoader(String directory,ClassLoader parent){
super(parent);
this.directory = directory;
}
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
//把类名转换为目录
String file = directory+File.separator+name.replace(".", File.separator)+".class";
//构建输入流
InputStream in = new FileInputStream(file);
//存放读取到的字节数据
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
byte buf[] = new byte[1024];
int len = -1;
while((len=in.read(buf))!=-1){
baos.write(buf,0,len);
}
byte data[] = baos.toByteArray();
in.close();
baos.close();
return defineClass(name,data,0,data.length);
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
MyFileClassLoader myFileClassLoader = new MyFileClassLoader("d:/");
Class clazz = myFileClassLoader.loadClass("com.itheima.Demo");
clazz.newInstance();
}
}
2、自定义网络类加载器
package com.itheima.base.classloader;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.InputStream;
import java.net.MalformedURLException;
import java.net.URL;
public class MyURLClassLoader extends ClassLoader {
private String url;
public MyURLClassLoader(String url) {
this.url = url;
}
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
String path = url+ "/"+name.replace(".","/")+".class";
URL url = new URL(path);
InputStream inputStream = url.openStream();
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
int len = -1;
byte buf[] = new byte[1024];
while((len=inputStream.read(buf))!=-1){
baos.write(buf,0,len);
}
byte[] data = baos.toByteArray();
inputStream.close();
baos.close();
return defineClass(name,data,0,data.length);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
MyURLClassLoader classLoader = new MyURLClassLoader("http://localhost:8080/examples");
Class clazz = classLoader.loadClass("com.itheima.Demo");
clazz.newInstance();
}
}
3、热部署类加载器
当我们调用loadClass方法加载类时，会采用双亲委派模式，即如果类已经被加载，就从缓存中获取，不会重新加载。如果同一个class被同一个类加载器多次加载，则会报错。因此，我们要实现热部署让同一个class文件被不同的类加载器重复加载即可。但是不能调用loadClass方法，而应该调用findClass方法，避开双亲委托模式，从而实现同一个类被多次加载，实现热部署。
MyFileClassLoader myFileClassLoader1 = new MyFileClassLoader("d:/",null);
MyFileClassLoader myFileClassLoader2 = new MyFileClassLoader("d:/",myFileClassLoader1);
Class clazz1 = myFileClassLoader1.loadClass("com.itheima.Demo");
Class clazz2 = myFileClassLoader2.loadClass("com.itheima.Demo");
System.out.println("class1:"+clazz1.hashCode());
System.out.println("class2:"+clazz2.hashCode());
结果:class1和class2的hashCode一致
MyFileClassLoader myFileClassLoader1 = new MyFileClassLoader("d:/",null);
MyFileClassLoader myFileClassLoader2 = new MyFileClassLoader("d:/",myFileClassLoader1);
Class clazz3 = myFileClassLoader1.findClass("com.itheima.Demo");
Class clazz4 = myFileClassLoader2.findClass("com.itheima.Demo");
System.out.println("class3:"+clazz3.hashCode());
System.out.println("class4:"+clazz4.hashCode());
结果：class1和class2的hashCode不一致
五、类的显式与隐式加载
类的加载方式是指虚拟机将class文件加载到内存的方式。
- 显式加载是指在java代码中通过调用ClassLoader加载class对象，比如Class.forName(String name)；this.getClass().getClassLoader().loadClass()加载类。
- 隐式加载指不需要在java代码中明确调用加载的代码，而是通过虚拟机自动加载到内存中。比如在加载某个class时，该class引用了另外一个类的对象，那么这个对象的字节码文件就会被虚拟机自动加载到内存中。
六、线程上下文类加载器
在Java中存在着很多的服务提供者接口SPI，全称Service Provider Interface，是Java提供的一套用来被第三方实现或者扩展的API，这些接口一般由第三方提供实现，常见的SPI有JDBC、JNDI等。这些SPI的接口（比如JDBC中的java.sql.Driver）属于核心类库，一般存在rt.jar包中，由根类加载器加载。而第三方实现的代码一般作为依赖jar包存放在classpath路径下，由于SPI接口中的代码需要加载具体的第三方实现类并调用其相关方法，SPI的接口类是由根类加载器加载的，Bootstrap类加载器无法直接加载位于classpath下的具体实现类。由于双亲委派模式的存在，Bootstrap类加载器也无法反向委托AppClassLoader加载SPI的具体实现类。在这种情况下，java提供了线程上下文类加载器用于解决以上问题。
线程上下文类加载器可以通过java.lang.Thread的getContextClassLoader()来获取，或者通过setContextClassLoader(ClassLoader cl)来设置线程的上下文类加载器。如果没有手动设置上下文类加载器，线程将继承其父线程的上下文类加载器，初始线程的上下文类加载器是系统类加载器（AppClassLoader），在线程中运行的代码可以通过此类加载器来加载类或资源。
显然这种加载类的方式破坏了双亲委托模型，但它使得java类加载器变得更加灵活。
我们以JDBC中的类为例做一下说明。在JDBC中有一个类java.sql.DriverManager，它是rt.jar中的类，用来注册实现了java.sql.Driver接口的驱动类，而java.sql.Driver的实现类一般都是位于数据库的驱动jar包中的。
java.sql.DriverManager的部分源码截图：
java.util.ServiceLoader的部分源码截图：
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