一篇文章带你深入了解Java 虚拟机类加载器

你的名字 2022-12-21 06:08 156阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  一、类加载器
     *  二、类与加载器
     *  三、双亲委派模型
     *   *  1. 为什么引入双亲委派模型
         *  2. 双亲委派模型
     *  四、破坏双亲委派模型

## 一、类加载器 ##

Java虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。

实现这个动作的代码被称为“类加载器”（ClassLoader）

## 二、类与加载器 ##

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在 Java 程序中起到的作用却远超类加载阶段。

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。

## 三、双亲委派模型 ##

### 1. 为什么引入双亲委派模型 ###

因为对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身共同确认其在java 虚拟机中的唯一性，

所以为了保证相同的 class 文件，是由同一个类加载器加载的，引入了双亲委派机制

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，一个显而易见的好处就是Java中的类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。

例如类`java.lang.Object`，它存放在`rt.jar`之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的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能够保证是同一个类。

反之，如果没有使用双亲委派模型，都由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己也编写了一个名为`java.lang.Object`的类，并放在程序的ClassPath中，那系统中就会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无从保证，应用程序将会变得一片混乱

在遵循双亲委派模型的规则下，是不允许出现核心类库（Math，Random之类的）被替换或取代的可能，很好的保证了Java 程序运行的稳定。

### 2. 双亲委派模型 ###

其他可以参考：[一篇文章带你深入理解 Java 中的Class.getClassLoader][Java _Class.getClassLoader]

（1）启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：前面已经介绍过，这个类加载器负责加载存放在`<JAVA_HOME>\lib`目录，或者被`-Xbootclasspath`参数所指定的路径中存放的，而且是Java虚拟机能够识别的（按照文件名识别，如`rt.jar`、`tools.jar`，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机的内存中。

（2）扩展类加载器（Extension Class Loader）：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`<JAVA_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。

（3）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`getSystem-ClassLoader()`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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmh1YWliZWlhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
JDK 9之前的 Java 应用都是由这三种类加载器互相配合来完成加载的，如果用户认为有必要，还可以加入自定义的类加载器来进行拓展，典型的如增加除了磁盘位置之外的Class文件来源，或者通过类加载器实现类的隔离、重载等功能。这些类加载器之间的协作关系“通常”会如上图所示。

图中展示的各种类加载器之间的层次关系被称为类加载器的“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有自己的父类加载器。

不过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

双亲委派模型的工作过程：如果一个类加载器收到了类加载的请求，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最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（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载。

双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作极为重要，但它的实现却异常简单，用以实现双亲委派的代码只有短短十余行，全部集中在`java.lang.ClassLoader的loadClass()`方法之中

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmh1YWliZWlhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
这段代码的逻辑清晰易懂：先检查请求加载的类型是否已经被加载过，若没有则调用父加载器的`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。假如父类加载器加载失败，抛出`ClassNotFoundException`异常的话，才调用自己的`findClass()`方法尝试进行加载

## 四、破坏双亲委派模型 ##

破坏双亲委派模型不止一个场景，这里只是举个例子。

这个模型最大的局限在于，假定 A 作为 B 的 parent，A 加载的类 对 B 是可见的； 然而 B 加载的类 对 A 却是不可见的。

而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

最典型的不适用便是 [SPI][] 的使用

> SPI ，全称为 Service Provider Interface，是一种服务发现机制。  
> 它通过在ClassPath路径下的META-INF/services文件夹查找文件，自动加载文件里所定义的类。

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，提供商提供的类不能放JDK里的lib目录下，所以也就没法用BootstrapClassLoader加载了

Class clz = Class.forName("java.sql.Driver");
    Driver d = (Driver)clz.newInstance();

这个代码尝试用启动类加载去加载，所以会报错，因为 java.sql.Driver 是个接口，无法实例化。

没有SPI时，你可以现在classpath里加一个mysql-connector-java.jar，然后这样写

Class clz = Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
    Driver d = (Driver) clz.newInstance();

这就没问题了，这里用了`Application Classloader`加载了`mysql-connector-java.jar`的`com.mysql.jdbc.Driver`。

问题是你一定要加载 `com.mysql.jdbc.Driver`，不是很优雅，不能实现“用接口编程，自动实例化真的实现“的这种编码形式。

使用SPI后，代码大致会这样

Connection connection = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://xxxxxx/xxx", "xxxx", "xxxxx");

DriverManager就根据"jdbc:mysql"这个提示去找具体实现去了。

然后：

System.out.println(connection.getClass().getClassLoader());

就会看到这里的结果是Application ClassLoader。

[Java _Class.getClassLoader]: https://blog.csdn.net/nanhuaibeian/article/details/105773504
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmh1YWliZWlhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221120/576b463bd1404572a731f83274be433f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmh1YWliZWlhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201115112022921.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmh1YWliZWlhbg==,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[SPI]: https://www.jianshu.com/p/3a3edbcd8f24