【深入理解JVM】類加載器與雙親委派模型

原文鏈接：http://blog.csdn.net/u011080472/article/details/51332866,http://www.cnblogs.com/lanxuezaipiao/p/4138511.html

加載類的開放性

類加載器（ClassLoader）是Java語言的一項創新，也是Java流行的一個重要原因。在類加載的第一階段“加載”過程中，需要通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進制字節流，完成這個動作的代碼塊就是類加載器。這一動作是放在Java虛擬機外部去實現的，以便讓應用程序自己決定如何獲取所需的類。

虛擬機規范並沒有指明二進制字節流要從一個Class文件獲取，或者說根本沒有指明從哪里獲取、怎樣獲取。這種開放使得Java在很多領域得到充分運用，例如：

• 從ZIP包中讀取，這很常見，成為JAR，EAR，WAR格式的基礎
• 從網絡中獲取，最典型的應用就是Applet
• 運行時計算生成，最典型的是動態代理技術，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass來為特定接口生成形式為“*$Proxy”的代理類的二進制字節流
• 有其他文件生成，最典型的JSP應用，由JSP文件生成對應的Class類 
  ……

類加載器與類的唯一性

類加載器雖然只用於實現類的加載動作，但是對於任意一個類，都需要由加載它的類加載器和這個類本身共同確立其在Java虛擬機中的唯一性。通俗的說，JVM中兩個類是否“相等”，首先就必須是同一個類加載器加載的，否則，即使這兩個類來源於同一個Class文件，被同一個虛擬機加載，只要類加載器不同，那么這兩個類必定是不相等的。

這里的“相等”，包括代表類的Class對象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回結果，也包括使用instanceof關鍵字做對象所屬關系判定等情況。

以下代碼說明了不同的類加載器對instanceof關鍵字運算的結果的影響。

 

package com.jvm.classloading;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

/**
 * 類加載器在類相等判斷中的影響
 * 
 * instanceof關鍵字
 * 
 */

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 自定義類加載器
        ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
                    InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                    if (is == null) {
                        return super.loadClass(fileName);
                    }
                    byte[] b = new byte[is.available()];
                    is.read(b);
                    return defineClass(name, b, 0, b.length);   
                } catch (IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException();
                }
            }
        };

        // 使用ClassLoaderTest的類加載器加載本類
        Object obj1 = ClassLoaderTest.class.getClassLoader().loadClass("com.jvm.classloading.ClassLoaderTest").newInstance();
        System.out.println(obj1.getClass());
        System.out.println(obj1 instanceof com.jvm.classloading.ClassLoaderTest);

        // 使用自定義類加載器加載本類
        Object obj2 = myLoader.loadClass("com.jvm.classloading.ClassLoaderTest").newInstance();
        System.out.println(obj2.getClass());
        System.out.println(obj2 instanceof com.jvm.classloading.ClassLoaderTest);
    }
}

 

輸出結果：

class com.jvm.classloading.ClassLoaderTest
true
class com.jvm.classloading.ClassLoaderTest
false

 

myLoader是自定義的類加載器，可以用來加載與自己在同一路徑下的Class文件。main函數的第一部分使用系統加載主類ClassLoaderTest的類加載器加載ClassLoaderTest，輸出顯示，obj1的所屬類型檢查正確，這是虛擬機中有2個ClassLoaderTest類，一個是主類，另一個是main()方法中加載的類，由於這兩個類使用同一個類加載器加載並且來源於同一個Class文件，因此這兩個類是完全相同的。

第二部分使用自定義的類加載器加載ClassLoaderTest，class com.jvm.classloading.ClassLoderTest顯示，obj2確實是類com.jvm.classloading.ClassLoaderTest實例化出來的對象，但是第二句輸出false。此時虛擬機中有3個ClassLoaderTest類，由於第3個類的類加載器與前面2個類加載器不同，雖然來源於同一個Class文件，但它是一個獨立的類，所屬類型檢查是返回結果自然是false。

雙親委派模型

類加載器種類

從Java虛擬機的角度來說，只存在兩種不同的類加載器：一種是啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader），這個類加載器使用C++語言實現（HotSpot虛擬機中），是虛擬機自身的一部分；另一種就是所有其他的類加載器，這些類加載器都有Java語言實現，獨立於虛擬機外部，並且全部繼承自java.lang.ClassLoader。

從開發者的角度，類加載器可以細分為：

• 啟動（Bootstrap）類加載器：負責將 Java_Home/lib下面的類庫加載到內存中（比如rt.jar）。由於引導類加載器涉及到虛擬機本地實現細節，開發者無法直接獲取到啟動類加載器的引用，所以不允許直接通過引用進行操作。

• 標准擴展（Extension）類加載器：是由 Sun 的 ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）實現的。它負責將Java_Home /lib/ext或者由系統變量 java.ext.dir指定位置中的類庫加載到內存中。開發者可以直接使用標准擴展類加載器。

• 應用程序（Application）類加載器：是由 Sun 的 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）實現的。它負責將系統類路徑（CLASSPATH）中指定的類庫加載到內存中。開發者可以直接使用系統類加載器。由於這個類加載器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，因此一般稱為系統（System）加載器。

除此之外，還有自定義的類加載器，它們之間的層次關系被稱為類加載器的雙親委派模型。該模型要求除了頂層的啟動類加載器外，其余的類加載器都應該有自己的父類加載器，而這種父子關系一般通過組合（Composition）關系來實現，而不是通過繼承（Inheritance）。

雙親委派模型

雙親委派模型過程

某個特定的類加載器在接到加載類的請求時，首先將加載任務委托給父類加載器，依次遞歸，如果父類加載器可以完成類加載任務，就成功返回；只有父類加載器無法完成此加載任務時，才自己去加載。

使用雙親委派模型的好處在於Java類隨着它的類加載器一起具備了一種帶有優先級的層次關系。例如類java.lang.Object，它存在在rt.jar中，無論哪一個類加載器要加載這個類，最終都是委派給處於模型最頂端的Bootstrap ClassLoader進行加載，因此Object類在程序的各種類加載器環境中都是同一個類。相反，如果沒有雙親委派模型而是由各個類加載器自行加載的話，如果用戶編寫了一個java.lang.Object的同名類並放在ClassPath中，那系統中將會出現多個不同的Object類，程序將混亂。因此，如果開發者嘗試編寫一個與rt.jar類庫中重名的Java類，可以正常編譯，但是永遠無法被加載運行。

雙親委派模型的系統實現

在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中，先檢查是否已經被加載過，若沒有加載則調用父類加載器的loadClass()方法，若父加載器為空則默認使用啟動類加載器作為父加載器。如果父加載失敗，則拋出ClassNotFoundException異常后，再調用自己的findClass()方法進行加載。

protected synchronized Class<?> loadClass(String name,boolean resolve)throws ClassNotFoundException{
    //check the class has been loaded or not
    Class c = findLoadedClass(name);
    if(c == null){
        try{
            if(parent != null){
                c = parent.loadClass(name,false);
            }else{
                c = findBootstrapClassOrNull(name);
            }
        }catch(ClassNotFoundException e){
            //if throws the exception ,the father can not complete the load
        }
        if(c == null){
            c = findClass(name);
        }
    }
    if(resolve){
        resolveClass(c);
    }
    return c;
}

 

注意，雙親委派模型是Java設計者推薦給開發者的類加載器的實現方式，並不是強制規定的。大多數的類加載器都遵循這個模型，但是JDK中也有較大規模破壞雙親模型的情況，例如線程上下文類加載器（Thread Context ClassLoader）的出現，具體分析可以參見周志明著《深入理解Java虛擬機》。

關於Java類加載雙親委派機制的思考（附一道面試題）

幾點思考

1.Java虛擬機的第一個類加載器是Bootstrap，這個加載器很特殊，它不是Java類，因此它不需要被別人加載，它嵌套在Java虛擬機內核里面，也就是JVM啟動的時候Bootstrap就已經啟動，它是用C++寫的二進制代碼（不是字節碼），它可以去加載別的類。

　　這也是我們在測試時為什么發現System.class.getClassLoader()結果為null的原因，這並不表示System這個類沒有類加載器，而是它的加載器比較特殊，是BootstrapClassLoader，由於它不是Java類，因此獲得它的引用肯定返回null。

2.委托機制具體含義
　　當Java虛擬機要加載一個類時，到底派出哪個類加載器去加載呢？

　　*首先當前線程的類加載器去加載線程中的第一個類（假設為類A）。
　　　　注：當前線程的類加載器可以通過Thread類的getContextClassLoader()獲得，也可以通過setContextClassLoader()自己設置類加載器。
　　*如果類A中引用了類B，Java虛擬機將使用加載類A的類加載器去加載類B。
　　*還可以直接調用ClassLoader.loadClass()方法來指定某個類加載器去加載某個類。

3.委托機制的意義 — 防止內存中出現多份同樣的字節碼
　　比如兩個類A和類B都要加載System類：

　　*如果不用委托而是自己加載自己的，那么類A就會加載一份System字節碼，然后類B又會加載一份System字節碼，這樣內存中就出現了兩份System字節碼。
　　*如果使用委托機制，會遞歸的向父類查找，也就是首選用Bootstrap嘗試加載，如果找不到再向下。這里的System就能在Bootstrap中找到然后加載，如果此時類B也要加載System，也從Bootstrap開始，此時Bootstrap發現已經加載過了System那么直接返回內存中的System即可而不需要重新加載，這樣內存中就只有一份System的字節碼了。

一道面試題

能不能自己寫個類叫java.lang.System？

答案：通常不可以，但可以采取另類方法達到這個需求。 
解釋：為了不讓我們寫System類，類加載采用委托機制，這樣可以保證爸爸們優先，爸爸們能找到的類，兒子就沒有機會加載。而System類是Bootstrap加載器加載的，就算自己重寫，也總是使用Java系統提供的System，自己寫的System類根本沒有機會得到加載。

但是，我們可以自己定義一個類加載器來達到這個目的，為了避免雙親委托機制，這個類加載器也必須是特殊的。由於系統自帶的三個類加載器都加載特定目錄下的類，如果我們自己的類加載器放在一個特殊的目錄，那么系統的加載器就無法加載，也就是最終還是由我們自己的加載器加載。