面试官：说说如何打破或违反双亲委派！

男娘i 2022-08-30 12:59 93阅读 0赞

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## 编辑：业余草 ##

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## 推荐：https://www.xttblog.com/?p=5247 ##

**「摘要：」**

*  SPI机制是什么，有哪些应用场景，又带来了哪些问题？
 *  [双亲委派模型][Link 1]是Java推荐的类加载模型，但违背该模型的案例有哪些？为什么会违背，又是怎么解决这种case的?
 *  JDBC驱动加载的案例有哪些，SPI机制为它带来了哪些方便？
 *  线程上下文类加载器的作用与应用场景？

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## 一、引子 ##

### SPI机制简介 ###

SPI的全名为`Service Provider Interface`，主要是应用于厂商自定义组件或插件中，在`java.util.ServiceLoader`的文档里有比较详细的介绍。简单的总结下java SPI机制的思想：我们系统里抽象的各个模块，往往有很多不同的实现方案，比如日志模块、xml解析模块、jdbc模块等方案。面向的对象的设计里，我们一般推荐模块之间基于接口编程，模块之间不对实现类进行硬编码。一旦代码里涉及具体的实现类，就违反了可拔插的原则，如果需要替换一种实现，就需要修改代码。为了实现在模块装配的时候能不在程序里动态指明，这就需要一种服务发现机制。Java SPI就是提供这样的一个机制：为某个接口寻找服务实现的机制。有点类似IOC的思想，就是将装配的控制权移到程序之外，在模块化设计中这个机制尤其重要。

![0ac9b7a672df51f43b0198caf5c75e05.png][]

Java SPI的具体约定为：当服务的提供者提供了服务接口的一种实现之后，在jar包的META-INF/services/目录里同时创建一个以服务接口命名的文件，该文件里就是实现该服务接口的具体实现类。而当外部程序装配这个模块的时候，就能通过该jar包META-INF/services/里的配置文件找到具体的实现类名，并装载实例化，完成模块的注入。基于这样一个约定就能很好的找到服务接口的实现类，而不需要再代码里制定。jdk提供服务实现查找的一个工具类：java.util.ServiceLoader。JDBC SPI mysql的实现如下所示。

![626892386be0fa507830e29871049745.png][] JDBC SPI mysql的实现

### SPI机制带来的问题 ###

Java 提供了很多服务SPI，允许第三方为这些接口提供实现。这些 SPI 的接口由 Java 核心库来提供，而这些 SPI 的实现则是由各供应商来完成。终端只需要将所需的实现作为 Java 应用所依赖的 jar 包包含进类路径（CLASSPATH）就可以了。问题在于SPI接口中的代码经常需要加载具体的实现类：SPI的接口是Java核心库的一部分，是由启动类加载器来加载的；而SPI的实现类是由系统类加载器来加载的。启动类加载器是无法找到 SPI 的实现类的(因为它只加载 Java 的核心库)，按照双亲委派模型，启动类加载器无法委派系统类加载器去加载类。也就是说，类加载器的双亲委派模式无法解决这个问题。

线程上下文类加载器正好解决了这个问题。线程上下文类加载器破坏了“双亲委派模型”，可以在执行线程中抛弃双亲委派加载链模式，使程序可以逆向使用类加载器。

## 二、线程上下文类加载器 ##

线程上下文类加载器（context class loader）是从 JDK 1.2 开始引入的。Java.lang.Thread中的方法 getContextClassLoader()和 setContextClassLoader(ClassLoader cl)用来获取和设置线程的上下文类加载器。如果没有通过 setContextClassLoader(ClassLoader cl)方法进行设置的话，线程将继承其父线程的上下文类加载器。Java 应用运行的初始线程的上下文类加载器是系统类加载器，在线程中运行的代码可以通过此类加载器来加载类和资源。

线程上下文类加载器从根本解决了一般应用不能违背[双亲委派模式][Link 2]的问题，使得java类加载体系显得更灵活。上面所提到的问题正是线程上下文类加载器的拿手好菜。如果不做任何的设置，Java应用的线程上下文类加载器默认就是系统类加载器。因此，在 SPI 接口的代码中使用线程上下文类加载器，就可以成功的加载到 SPI 实现的类。

// Now create the class loader to use to launch the application  
    try {  
        loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);  
    } catch (IOException e) {  
        throw new InternalError(  
    "Could not create application class loader" );  
    }  
      
    // Also set the context class loader for the primordial thread.  
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);

## 三. 违背双亲委派案例之JDBC ##

1、JDBC驱动注册的常用几种方式

Java数据库连接（Java Database Connectivity，简称 JDBC）是Java语言用来规范客户端程序如何访问数据库的应用程序接口，提供了诸如查询和更新数据库中数据的方法。JDBC驱动包就是上述接口的实现，由数据库厂商开发，是java和具体数据库之间的连接桥梁。每一种数据库对应一款驱动jar，甚至每一个版本的数据库都有自己对应版本的驱动。我们知道，JDBC规范中明确要求Driver(数据库驱动)类必须向DriverManager注册自己，所以在与数据库交互前必须完成驱动注册，那么先来看看平时我们是如何注册JDBC驱动的。

### 方式一：Class.forName(“com.mysql.jdbc.Driver”) ###

try {
        // 注册
        Class.forName(driver);
        conn = (Connection)DriverManager.getConnection(url, user, passwd);
    } catch (Exception e) {
        System.out.println(e);
    }

使用该方式注册的关键在于`Class.forName(driver);`，这句话的作用是加载并初始化指定驱动。mysql jdbc正是在Driver初始化的时候完成注册：

package com.mysql.jdbc;
    
    import com.mysql.jdbc.NonRegisteringDriver;
    import java.sql.DriverManager;
    import java.sql.SQLException;
    
    public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver {
        public Driver() throws SQLException {
        }
     // 类初始化时完成驱动注册
        static {
            try {
                DriverManager.registerDriver(new Driver());
            } catch (SQLException var1) {
                throw new RuntimeException("Can\'t register driver!");
            }
        }
    }

### 方式二：System.setProperty ###

`System.setProperty(“jdbc.drivers”,“com.mysql.jdbc.Driver”)`使用方式举例如下：

try {
        //Class.forName(driver);
        System.setProperty("jdbc.drivers", driver);
        conn = (Connection)DriverManager.getConnection(url, user, passwd);
    } catch (Exception e) {
        System.out.println(e);
    }

这种方式是通过系统的属性设置注册驱动，最终还是通过系统类加载器完成。

// DriverManager 中的静态代码块
    static {
        loadInitialDrivers();
        println("JDBC DriverManager initialized");
    }
    
    // 初始化 DriverManager
    private static void loadInitialDrivers() {
        String drivers;
        try {
            drivers = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() {
                public String run() {
                    return System.getProperty("jdbc.drivers");
                }
            });
        } catch (Exception ex) {
            drivers = null;
        }
        // If the driver is packaged as a Service Provider, load it.
        // Get all the drivers through the classloader
        // exposed as a java.sql.Driver.class service.
        // ServiceLoader.load() replaces the sun.misc.Providers()
    
        AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
            public Void run() {
    
                ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
                Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
    
                /* Load these drivers, so that they can be instantiated.
                 * It may be the case that the driver class may not be there
                 * i.e. there may be a packaged driver with the service class
                 * as implementation of java.sql.Driver but the actual class
                 * may be missing. In that case a java.util.ServiceConfigurationError
                 * will be thrown at runtime by the VM trying to locate
                 * and load the service.
                 *
                 * Adding a try catch block to catch those runtime errors
                 * if driver not available in classpath but it's
                 * packaged as service and that service is there in classpath.
                 */
                try{
                    while(driversIterator.hasNext()) {
                        driversIterator.next();
                    }
                } catch(Throwable t) {
                // Do nothing
                }
                return null;
            }
        });
    
        println("DriverManager.initialize: jdbc.drivers = " + drivers);
    
        if (drivers == null || drivers.equals("")) {
            return;
        }
        String[] driversList = drivers.split(":");
        println("number of Drivers:" + driversList.length);
        for (String aDriver : driversList) {
            try {
                // 注册驱动，底层实现还是和方式一一样的套路
                println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
                Class.forName(aDriver, true,
                        ClassLoader.getSystemClassLoader());
            } catch (Exception ex) {
                println("DriverManager.Initialize: load failed: " + ex);
            }
        }
    }

### 方式三：SPI服务加载机制注册驱动 ###

try {
        // Class.forName(driver);
        conn = (Connection)DriverManager.getConnection(url, user, passwd);
    } catch (Exception e) {
        System.out.println(e);
    }

各位可以发现，这种方式与第一种方式唯一的区别就是经常写的`Class.forName`被注释掉了，但程序依然可以正常运行，这是为什么呢？这是因为，从JDK1.6开始，Oracle就修改了加载JDBC驱动的方式，即JDBC4.0。在JDBC 4.0中，我们不必再显式使用Class.forName()方法明确加载JDBC驱动。当调用getConnection方法时，DriverManager会尝试自动设置合适的驱动程序。前提是，只要mysql的jar包在类路径中。

那到底是在哪一步自动注册了mysql driver的呢？我们接下来进一步分析。

2、SPI服务加载机制注册驱动原理分析

重点就在DriverManager.getConnection()中。我们知道，调用类的静态方法会初始化该类，而执行其静态代码块是初始化类过程中必不可少的一环。DriverManager的静态代码块：

static {
        loadInitialDrivers();
        println("JDBC DriverManager initialized");
    }

初始化方法loadInitialDrivers()的代码我们其实已经见过了，第二种和第三种的驱动注册逻辑都在这里面：

private static void loadInitialDrivers() {
        String drivers;
        try {
      // 先读取系统属性 : 对应上面第二种驱动注册方式
      drivers = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() {
                public String run() {
                    return System.getProperty("jdbc.drivers");
                }
            });
        } catch (Exception ex) {
            drivers = null;
        }
        
        // 通过SPI加载驱动类
        AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
            public Void run() {
                ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
                Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
                try{
                    while(driversIterator.hasNext()) {
                        driversIterator.next();
                    }
                } catch(Throwable t) {
                    // Do nothing
                }
                return null;
            }
        });
        
        // 加载系统属性中的驱动类 : 对应上面第二种驱动注册方式
        if (drivers == null || drivers.equals("")) {
            return;
        }
        
        String[] driversList = drivers.split(":");
        println("number of Drivers:" + driversList.length);
        for (String aDriver : driversList) {
            try {
                println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
                // 使用AppClassloader加载
                Class.forName(aDriver, true,
                        ClassLoader.getSystemClassLoader());
            } catch (Exception ex) {
                println("DriverManager.Initialize: load failed: " + ex);
            }
        }
    }

从上面可以看出，JDBC中的DriverManager加载Driver的步骤顺序依次是：

1.  通过SPI方式，读取 META-INF/services 下文件中的类名，使用线程上下文类加载器加载；
2.  通过System.getProperty(“jdbc.drivers”)获取设置，然后通过系统类加载器加载。

我们现在只讨论SPI方式的实现，来看刚才的代码：

ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
    Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
    
    try{
        while(driversIterator.hasNext()) {
            driversIterator.next();
        }
    } catch(Throwable t) {
    // Do nothing
    }

注意driversIterator.next()这条语句完成了驱动的注册工作，如下所示：

private S nextService() {
        if (!hasNextService())
            throw new NoSuchElementException();
        String cn = nextName;
        nextName = null;
        Class<?> c = null;
        try {
            // 加载实现类，注意还没有初始化；以JDBC为例，此时还没有完成驱动注册
            c = Class.forName(cn, false, loader);
        } catch (ClassNotFoundException x) {
            fail(service,
                 "Provider " + cn + " not found");
        }
        // service就是SPI，以JDBC为例，service就是Java Driver接口；此处判断c是否为Driver的实现
        if (!service.isAssignableFrom(c)) {
            fail(service,
                 "Provider " + cn  + " not a subtype");
        }
        try {
            // c是spi的实现，c.newInstance()会触发类的初始化动作，以JDBC为例，这一操作会完成驱动注册
            S p = service.cast(c.newInstance());
            providers.put(cn, p);
            return p;
        } catch (Throwable x) {
            fail(service,
                 "Provider " + cn + " could not be instantiated",
                 x);
        }
        throw new Error();          // This cannot happen
    }

好，那句因SPI而省略的代码现在解释清楚了，那我们继续看给这个方法传的loader是怎么来的。因为`Class.forName(DriverName, false, loader)`代码所在的类在`java.util.ServiceLoader`类中，而`ServiceLoader.class`又加载在BootrapLoader中，因此传给 forName 的 loader 必然不能是BootrapLoader(启动类加载器只能加载java核心类库)。这时候只能使用线程上下文类加载器了：把自己加载不了的类加载到线程上下文类加载器中（通过`Thread.currentThread()`获取），而线程上下文类加载器默认是使用系统类加载器AppClassLoader。

回头再看`ServiceLoader.load(Class)`的代码，的确如此：

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        return ServiceLoader.load(service, cl);
    }

ContextClassLoader默认存放了AppClassLoader的引用，由于它是在运行时被放在了线程中，所以不管当前程序处于何处（BootstrapClassLoader或是ExtClassLoader等），在任何需要的时候都可以用`Thread.currentThread().getContextClassLoader()`取出应用程序类加载器来完成需要的操作。

到这儿差不多把SPI机制解释清楚了。直白一点说就是：我（JDK）提供了一种帮你（第三方实现者）加载服务（如数据库驱动、日志库）的便捷方式，只要你遵循约定（把类名写在/META-INF里），那当我启动时我会去扫描所有jar包里符合约定的类名，再调用forName加载。但我的ClassLoader是没法加载的，那就把它加载到当前执行线程的线程上下文类加载器里，后续你想怎么操作就是你的事了。

## 四. Tomcat与Spring的类加载器案例 ##

接下来将介绍《深入理解java虚拟机》一书中的案例，并解答它所提出的问题（部分类容来自于书中原文）。

### Tomcat中的类加载器 ###

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：

![b154a82e23b572c1c2f70f97ef8256e6.png][]

Tomcat的双亲委派模型

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，它统统使用线程类加载器来加载类，而线程类加载器默认设置为了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，所以直接用线程上下文类加载器来解决所有可能面临的情况。

## 五. 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：

*  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。
 *  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。

![c437317ed7eb7575cde48c67634e7957.png][]

[Link 1]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyODE5NjUwNQ%3D%3D&chksm=f38757d3c4f0dec54c24d083d5dfdd1b5a967b768819936034bff1366ef3def61acf9daad5e3&idx=1&mid=2653314597&scene=21&sn=3ad3f8e21d5c7e1b37125e5eb4989fe8#wechat_redirect
[af5c440c63fc459188a255b071e43161.png]: /images/20220829/97350c5f8d0241079bc2db663a33e504.png
[0ac9b7a672df51f43b0198caf5c75e05.png]: /images/20220829/167ae2f582b3494f8557328b06f41784.png
[626892386be0fa507830e29871049745.png]: /images/20220829/53ad6e84a1994489a427d8ab448b350f.png
[Link 2]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyODE5NjUwNQ%3D%3D&chksm=f3875674c4f0df625ba73d4bdd03dd53884895b3001f2140767de51769e9590cc0e804af2cf4&idx=1&mid=2653314946&scene=21&sn=058e2296fc276b8f8d2d73e93ba59105#wechat_redirect
[b154a82e23b572c1c2f70f97ef8256e6.png]: /images/20220829/5eba96930d114d87b9664b02af0fcde6.png
[c437317ed7eb7575cde48c67634e7957.png]: /images/20220829/482384e2abc44755b772b4e5c1657628.png