java中的类加载器和双亲委派机制

2022-08-14

类加载是什么

把磁盘中的java文件加载到内存中的过程叫做类加载

当我们用java命令运行某个类的main函数启动程序时，首先需要通过类加载器把主类加载到JVM. 有如下 User 类

package dc.dccmmtop;
public Class User {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello");
    }
}

运行 java dc.dccmmtop.User 时，先要找到 User.Class 文件，查找全路径就是 Class_PATH + {{package name}}，对于User类来说，就是 {$Class_APTH}/dc/dccmmtop.User.Class

假如 User.java 在F:\code, 并且不在Class_PATH 下，可以通过 java -Classpath "F:\code" 临时指定。

加载类之后还有后续的步骤:

验证
准备
解析
初始化
使用
卸载

这篇文章主要来讲讲类加载

类加载器

不了解类加载机制的，可能就认为，只需找到java文件所在的磁盘位置，然后进行一次读文件的操作不就完成了加载嘛，其实远非如此。

总有一个加载类的工具，这个工具叫做类加载器，在java代码中可以通过如下方式获取当前类的类加载器是什么

package dccmmtop;  
  
public Class User {  
    public static void main(String[] args) {  
        System.out.println("hello");  
        System.out.println(User.Class.getClassLoader()); 
    }  
}

如图可以看到类加载器的名字叫做 AppClassLoader

我们全局搜索一下这个类，会发现在 sun.misc.Launcher.java 文件中找到。

那么这个AppClassLoader 本身也是一个 java 文件，它又是什么时候被加载并初始化的呢？

我们滚动到文件顶部，看到 Launcher 类的构造方法部分：

标记1 和标记2 实现了一个单例模式，在5 处获取到了 AppClassLoader 实例。也就是说在某一个地方通过调用 Launcher 类中的 getLauncher() 方法，会得到 AppClassLoader 实例，那么 getLauncher() 方法又是在哪里调用的呢？追踪到这里已经无法在java代码中找到上一步了，其实这个方法是jvm (c++实现)调用的，如下图:

以上就是类加载的主要步骤了。下面看一下双亲委派机制

双亲委派机制

我们继续看AppClassLoader 实例化的过程：

在5处，实例化了一个AppClassLoader的对象，同时传进去了一个参数 var1, 这个 var1 是另外一个类加载器ExtClassLoader , 我们在进入 getAppClassLoader 方法看一看是怎么实现的：

先看一下几个ClassLoad的继承关系：

有上面的继承关系图可以看出来，AppClassLoader 和 ExtClassLoader 都是从 ClassLoader 继承来的。

在 Launcher() 中可知，调用 AppClassLoader.getAppClassLoader() 方法时，把 ExtClassLoader 的实例作为参数传递进来，最终到4这一步，作为 var2 参数，调用父类的构造方法，继续追踪父类的构造方法直到 ClassLoader :

在 ClassLoader 构造方法中，维护了一个 parent 变量，到此我们知道了 AppClassLoader 中 parent 变量保存的是 ExtClassLoader的实例, 如下图表示

继续看Launcher 构造方法：

loadClass() 方法将 Class 文件加载到jvm中，我们跟踪一下这个方法，会发现最后会调到根类ClassLoader 中：

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;  
    }  
}

上面代码块中的弟6行，findLoadedClass() , 先从已加载到的类集合中查找有没有这个类，如果有的话，直接返回，没有再进行下一步, findLoadedClass 方法源码如下

到 native finnal Class<?> findLoadedClass0(String name); 这里已经无法在向后追踪了，看到 naive ,要明白使用native关键字说明这个方法是原生函数，也就是这个方法是用C/C++语言实现的，并且被编译成了DLL，由java去调用.

此时 User.Class 是第一次加载，AppClassLoader 中肯定无法在已加载的集合中找到，所以继续向下走到第 10，11 行. 上面已经分析过，AppClassLoader 中的 parent 是 ExtClassLoader , 所以在11行由 ExtClassLoader 的实例执行 laodClass 方法。 ExtClassLoader 没有覆写根类ClassLoader 的loaderClass 方法，所以也会到这里，只不过 ExtClassLoader 的 parent 是 NUll，会走到13行，调用findBootstrapClassOrNull() 方法，再看一下这个方法的实现:

会发现这个方法也是C++实现的，虽然我们无法看到源码，但是根据注释可以知道，这个是保存了启动类加载器加载过的类。

到此为止，我们已经见识过3中不同的类加载器了：

AppClassLoader
ExtClassLoader
BootStrapClassLoader

我们先不管这个后面两个类加载器是什么，假定他们也找不到 User.Class. 继续向下看：

执行到第21行findClas()这里，再看源码

在A-2 这一步，ucp 其实保存的就是当前 ClassLoader 的类加载路径，就不再展开。要记住此时的 ClassLoader 是 ExtClassLoader, 假如仍然找不到User.Class 会执行到 A-3.然后返回到 loadClass 方法中，此时 c 是空，继续执行到33行，返回到 AppClassLoader 调用 parent.getAppClassLoader 处，在 AppClassLoader 实例的范围下继续向后执行，然后再继续调用 findClass 方法，如果在AppClassLoader的类加载路径中找到User.Class 文件，就会执行 defindClass(name,res) 方法去加载类文件了。

整个过程用文字描述起来比较复杂，来张图就很清楚了，为什么叫做双亲委派：

把 loadedClassList 集合称作缓存

先在 AppClassLoader 中缓存中找，如果找不到向 ExtClassLoader 找，如果能找到，直接返回
在 ExtClassLoader 中缓存找，如果找不到向 BootStrapClassLoader 找，如果能找到，直接返回
在 BootStrapClassLoader 找，如果找不到，在 ExtClassLoader 类路径集合中找，
如果在 ExtClassLoader 类路径集合找不到，在 AppClassLoader 类路径集合找
如果在 AppClassLoader 类路径集合中能找到，加载该类，并放入缓存。找不到则报错

双亲指的是 ExtClassLoader 和 BootStrapClassLoader， AppClassLoader 先不加载，而是向上让其“父”加载，父加载不到时，自己再加载。这里的父不是父类，而是调用层级的关系。

是时候介绍一下这三个类加载器

BootStrapClassLoader

引导类加载器

负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的核心类库，比如 rt.jar、charsets.jar等

ExtClassLoader

扩展类加载器

负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR 类包

AppClassLoader

应用程序加载器

负责加载ClassPath路径下的类包，主要就是加载你自己写的那些类

我们可以写代码验证一下:

package dccmmtop;  
  
import sun.misc.Launcher;  
  
import java.net.URL;  
  
public Class User {  
    public static void main(String[] args) {  
        System.out.println(String.Class.getClassLoader()); // null  
        System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.Class.getClassLoader().getClass().getName()); //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader  
        System.out.println(User.Class.getClassLoader().getClass().getName()); // sun.misc.Launcher$AppClassLoader  
        System.out.println();  
        System.out.println("bootstrapLoader加载以下文件：");  
        URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();  
        for (int i = 0; i < urls.length; i++) {  
            System.out.println(urls[i]);  
        }  
        System.out.println();  
        System.out.println("extClassloader加载以下文件：");  
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));  
        System.out.println();  
        System.out.println("appClassLoader加载以下文件：");  
        System.out.println(System.getProperty("java.Class.path"));  
    }  
}

输入如下:

null // 因为调用了 c++ 实现。无法获取到java对象
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader

the bootstrapLoader : null
the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@77459877
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

bootstrapLoader加载以下文件：
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/lib/jfr.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_261/jre/Classes

extClassloader加载以下文件：
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\ext;C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext

appClassLoader加载以下文件：
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\deploy.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\ext\cldrdata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\jre\lib\ext\jaccess.jar;...省略

为什么使用双亲委派机制

沙箱安全机制：
自己写的java.lang.String.Class类不会被加载，这样便可以防止核心 API库被随意篡改
避免类的重复加载：当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次，保证被加载类的唯一性

全盘负责委托机制

“全盘负责”是指当一个ClassLoder装载一个类时，除非显示的使用另外一个ClassLoder，该类
所依赖及引用的类也由这个ClassLoder载入

自定义类加载器

从上述源码的描述可知，类加载器的核心方法是 findClass , 和 defineClass 。

defindClass 将class文件从磁盘加载文件到内存，defineClass 开始解析class文件:

所以自定义类加载器只需继承 ClassLoader，然后从写 findClass 文件就行了：

目录如下:

App.java:

import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;

public class App {
    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;

        public MyClassLoader(String classPath) {
            this.classPath = classPath;
        }

        // 从磁盘加载文件
        private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        // 重写
        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                // defineClass将一个字节数组转为Class对象，这个字节数组是class文件读取后最终的字节 数组。
                return defieClass(name, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }
    }

    public static void main(String args[]) throws Exception {
        // 初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，其中会把自定义类加载器的父加载 器设置为应用程序类加载器AppClassLoader
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/dc_code/java"); // D盘创建
        // 创建 io/dc 几级目录，将User类的复制类User.class丢入该目录
        Class clazz = classLoader.loadClass("io.dc.User");
        Object obj = clazz.newInstance();
        // 使用反射调用 User 类的 sout 方法
        Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
        method.invoke(obj, null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

打破双亲委派机制

经过上面的源码分析发现，主要是 ClassLoader 类中的laodClass 方法来实现的双亲委派机制，自己不加载而是先让其父加载。

所以直接复写 loadClass 方法即可，不再指定父级加载，当前类直接加载，如下:

import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;

public class App {
    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;

        public MyClassLoader(String classPath) {
            this.classPath = classPath;
        }

        // 从磁盘加载文件
        private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                // defineClass将一个字节数组转为Class对象，这个字节数组是class文件读取后最终的字节 数组。
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }

        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) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    if (name.startsWith("io.dc")) {
                        // 直接查找, 限定包名
                        c = findClass(name);
                    } else {
                        // 其他包中的类还是使用双亲委派机制
                        // 否则会报找不到 Object 类
                        c = this.getParent().loadClass(name);
                    }
                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }
    }

    public static void main(String args[]) throws Exception {
        // 初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，其中会把自定义类加载器的父加载 器设置为应用程序类加载器AppClassLoader
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/dc_code/java"); // D盘创建
        // 创建 io/dc 几级目录，将User类的复制类User.class丢入该目录
        Class clazz = classLoader.loadClass("io.dc.User");
        Object obj = clazz.newInstance();
        // 使用反射调用 User 类的 sout 方法
        Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
        method.invoke(obj, null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

Tomcat 中的类加载方式

为什么Tomcat 需要打破双亲委派机制

tomcat 是一个web容器。可以同时运行多个web服务，每个服务可能会依赖同一个类的不同版本，例如服务A 依赖 Spring 2.1.1 服务B 依赖 Spring 2.2.2 ,服务A B 所依赖的包名 + 类名肯定有一样的。但是我们知道在双亲委派机制中不能同时存在报名和类名一样的class文件。此时就需要打破
web容器也有自己依赖的类库，不能与应用程序的类库混淆。基于安全考虑，应该让容器的类库和程序的类库隔离开来。
web容器要支持jsp的修改，我们知道，jsp 文件最终也是要编译成class文件才能在虚拟机中运行，但程序运行后修改jsp已经是司空见惯的事情， web容器需要支持 jsp 修改后不用重启。如果使用双亲委派机制，同一个类加载过一次就不会再次加载了。很显然不能支持热加载功能。tomcat 把每一个jsp class 文件都用一个单独的加载器去加载。如果检测到 jsp 文件发生变动，直接将现有的 jsp 对应的类加载器卸载掉，重新生成一个新的加载器去加载。

模仿tomcat 实现多版本共存

用一个简单的demo来实现 tomcat 多版本共存功能:

有两个报名和类名一样的 User 类:

java1 -> User.java :

package io.dc;
public class User{
    public void sout (){
        System.out.println("user");
    }
    public static void main (String[] args){
        System.out.println("user");

    }

}

java2 -> User.java

package io.dc;

public class User {
    public void sout() {
        System.out.println("user1");
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("user1");

    }

}

App.java

package io.dc;

import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;

public class App {
    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;

        public MyClassLoader(String classPath) {
            this.classPath = classPath;
        }

        // 从磁盘加载文件
        private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                // defineClass将一个字节数组转为Class对象，这个字节数组是class文件读取后最终的字节 数组。
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }

        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) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    if (name.startsWith("io.dc")) {
                        // 直接查找, 限定包名
                        c = findClass(name);
                    } else {
                        // 其他包中的类还是使用双亲委派机制
                        // 否则会报找不到 Object 类
                        c = this.getParent().loadClass(name);
                    }
                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }
    }

    public static void main(String args[]) throws Exception {
        // 初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，其中会把自定义类加载器的父加载 器设置为应用程序类加载器AppClassLoader
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("F:/code/java1"); // D盘创建
        // 创建 io/dc 几级目录，将User类的复制类User.class丢入该目录
        Class clazz = classLoader.loadClass("io.dc.User");
        Object obj = clazz.newInstance();
        // 使用反射调用 User 类的 sout 方法
        Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
        method.invoke(obj, null);

        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());

        // 使用新的加载器加载另外一个 User.class
        MyClassLoader classLoader1 = new MyClassLoader("F:/code/java2"); // D盘创建
        // 创建 io/dc 几级目录，将User类的复制类User.class丢入该目录
        Class clazz1 = classLoader1.loadClass("io.dc.User");
        Object obj1 = clazz1.newInstance();
        // 使用反射调用 User 类的 sout 方法
        Method method1 = clazz1.getDeclaredMethod("sout", null);
        method1.invoke(obj1, null);
        System.out.println(clazz1.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

结果：

所以，同一个JVM内，两个相同包名和类名的类对象可以共存，因为他们的类加载器可以不一样，所以看两个类对象是否是同一个，除了看类的包名和类名是否都相同之外，还需要他们的类 加载器也是同一个才能认为他们是同一个。