java類加載-ClassLoader雙親委派機制

“類加載體系”及ClassLoader雙親委派機制。java程序中的 .java文件編譯完會生成 .class文件，而 .class文件就是通過被稱為類加載器的ClassLoader加載的，而ClassLoder在加載過程中會使用“雙親委派機制”來加載 .class文件，先上圖：

看着圖從上往下介紹：

1. BootStrapClassLoader：啟動類加載器，該ClassLoader是jvm在啟動時創建的，用於加載 $JAVA_HOME/jre/lib下面的類庫（或者通過參數-Xbootclasspath指定）。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，所以不能直接通過引用進行操作。

2. ExtClassLoader：擴展類加載器，該ClassLoader是在sun.misc.Launcher里作為一個內部類ExtClassLoader定義的（即 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader），ExtClassLoader會加載 $JAVA_HOME/jre/lib/ext下的類庫（或者通過參數-Djava.ext.dirs指定）。

3. AppClassLoader：應用程序類加載器，該ClassLoader同樣是在sun.misc.Launcher里作為一個內部類AppClassLoader定義的（即 sun.misc.Launcher$AppClassLoader），AppClassLoader會加載java環境變量CLASSPATH所指定的路徑下的類庫，而CLASSPATH所指定的路徑可以通過System.getProperty("java.class.path")獲取；當然，該變量也可以覆蓋，可以使用參數-cp，例如：java -cp 路徑 （可以指定要執行的class目錄）。

4. CustomClassLoader：自定義類加載器，該ClassLoader是指我們自定義的ClassLoader，比如tomcat的StandardClassLoader屬於這一類；當然，大部分情況下使用AppClassLoader就足夠了。

ClassLoader初始化源碼

下面貼下jdk關於類加載的源碼，上述四種類加載器中CustomClassLoader是用戶自定義的，BootStrapClassLoader是jvm創建的，就不展示了；這里展示下AppClassLoader和ExtClassLoader的啟動過程，前面介紹過，AppClassLoader和ExtClassLoader都是在sun.misc.Launcher里定義的，而我的sun.misc.Launcher沒有源碼，大家將就看看反編譯的代碼吧。如果想看sun.*包下的類源碼，大家可以下載openjdk來查看。 

public Launcher(){
    ExtClassLoader extclassloader;
    try{
        extclassloader = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
    }
    catch(IOException ioexception) {
        throw new InternalError("Could not create extension class loader");
    }
    try{
        loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extclassloader);
    }
    catch(IOException ioexception1){
        throw new InternalError("Could not create application class loader");
    }
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
    String s = System.getProperty("java.security.manager");
    if(s != null){
        SecurityManager securitymanager = null;
        if("".equals(s) || "default".equals(s))
        securitymanager = new SecurityManager();
        else
        try{
            securitymanager = (SecurityManager)loader.loadClass(s).newInstance();
        }
        catch(IllegalAccessException illegalaccessexception) { }
        catch(InstantiationException instantiationexception) { }
        catch(ClassNotFoundException classnotfoundexception) { }
        catch(ClassCastException classcastexception) { }
        if(securitymanager != null)
        　　System.setSecurityManager(securitymanager);
        else
       　　 throw new InternalError((new StringBuilder()).append("Could not create SecurityManager: ").append(s).toString());
    }
}

 

可以看到在Launcher構造函數的執行過程如下：

1. 通過ExtClassLoader.getExtClassLoader()創建了ExtClassLoader；

2. 通過AppClassLoader.getAppClassLoader(ExtClassLoader)創建了AppClassLoader，並將ExtClassLoader設為AppClassLoader的parent ClassLoader；

3. 通過Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader)把AppClassLoader設為線程的上下文 ClassLoader；

4. 根據jvm參數-Djava.security.manager創建安全管理器（安全管理器的相關內容會在后續博客安全管理器及Java API中介紹），此時jvm會設置系統屬性"java.security.manager"為空字符串""。

再貼下ExtClassLoader源碼： 

static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
    private File[] dirs;
 
    public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException {
        // 用調getExtDirs()方法取獲配置的擴展類路徑
        final File[] dirs = getExtDirs();
        try {
            // 應用getExtDirs()方法返回的路徑生成一個新的ClassLoader實例
            return (ExtClassLoader) AccessController.doPrivileged(new PrivilegedExceptionAction() {
                public Object run() throws IOException {
                    int len = dirs.length;
                    for (int i = 0; i < len; i++) {
                        MetaIndex.registerDirectory(dirs[i]);
                    }
                    return new ExtClassLoader(dirs);
                }
            });
        } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {
            throw (IOException) e.getException();
        }
    }


    // 再看這個方法
    private static File[] getExtDirs() {
        // 取獲配置的擴展類路徑
        String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
        File[] dirs;
        if (s != null) {
            StringTokenizer st = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
            int count = st.countTokens();
            dirs = new File[count];
            for (int i = 0; i < count; i++) {
                dirs[i] = new File(st.nextToken());
            }
        } else {
            dirs = new File[0];
        }
        return dirs;
    }
    
    // 其他碼代略
    ...
}

 

 

反編譯的源碼，大家將就看下；這里大家關注下getExtDirs()這個方法，它會獲取屬性"java.ext.dirs"所對應的值，然后通過系統分隔符分割，然后加載分割后的字符串對應的目錄作為ClassLoader的類加載庫。

下面看看AppClassLoader源碼：

public static ClassLoader getAppClassLoader(ClassLoader classloader) throws IOException{
    String s = System.getProperty("java.class.path");
    File afile[] = s != null ? Launcher.getClassPath(s) : new File[0];
    return (AppClassLoader)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction(s, afile, classloader) {
    public Object run() {
        URL aurl[] = s != null ? Launcher.pathToURLs(path) : new URL[0];
        return new AppClassLoader(aurl, extcl);
    }

    final String val$s;
    final File val$path[];
    final ClassLoader val$extcl;

    {
        s = s1;
        path = afile;
        extcl = classloader;
        super();
    }
    });
}

 

 

首先獲取"java.class.path"對應的屬性，並轉換為URL[]並設置為ClassLoader的類加載庫，注意這里的方法入參classloader就是ExtClassLoader，在創AppClassLoader會傳入ExtClassLoader作為parent ClassLoader。

上面就是ClassLoader的啟動和初始化過程，后面會把loader作為應用程序的默認ClassLoader使用，看下面的測試用例:

public static void main(String... args) {
    ClassLoader loader = Test.class.getClassLoader();
    System.err.println(loader);
    while (loader != null) {
        loader = loader.getParent();
        System.err.println(loader);
    }
}

 

可以看到ClassLoader的層次結構，輸出結果為：

ClassLoader雙親委派機制源碼

前面談到了ClassLoader的幾類加載器，而ClassLoader使用雙親委派機制來加載class文件的。

ClassLoader的雙親委派機制是這樣的（這里先忽略掉自定義類加載器CustomClassLoader）：

1. 當AppClassLoader加載一個class時，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把類加載請求委派給父類加載器ExtClassLoader去完成。

2. 當ExtClassLoader加載一個class時，它首先也不會自己去嘗試加載這個類，而是把類加載請求委派給BootStrapClassLoader去完成。

3. 如果BootStrapClassLoader加載失敗（例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到該class），會使用ExtClassLoader來嘗試加載；

4. 若ExtClassLoader也加載失敗，則會使用AppClassLoader來加載，如果AppClassLoader也加載失敗，則會報出異常ClassNotFoundException。

下面貼下ClassLoader的loadClass(String name, boolean resolve)源碼：

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    // First, check if the class has already been loaded
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        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.
            c = findClass(name);
        }
    }
    if (resolve) {
        resolveClass(c);
    }
    return c;
}

 

代碼很明朗：首先找緩存（findLoadedClass），沒有的話就判斷有沒有parent，有的話就用parent來遞歸的loadClass，然而ExtClassLoader並沒有設置parent，則會通過findBootstrapClassOrNull來加載class，而findBootstrapClassOrNull則會通過JNI方法”private native Class findBootstrapClass(String name)“來使用BootStrapClassLoader來加載class。

然后如果parent未找到class，則會調用findClass來加載class，findClass是一個protected的空方法，可以覆蓋它以便自定義class加載過程。

另外，雖然ClassLoader加載類是使用loadClass方法，但是鼓勵用 ClassLoader 的子類重寫 findClass(String)，而不是重寫loadClass，這樣就不會覆蓋了類加載默認的雙親委派機制。

雙親委派機制為什么安全

前面談到雙親委派機制是為了安全而設計的，但是為什么就安全了呢？舉個例子，ClassLoader加載的class文件來源很多，比如編譯器編譯生成的class、或者網絡下載的字節碼。而一些來源的class文件是不可靠的，比如我可以自定義一個java.lang.Integer類來覆蓋jdk中默認的Integer類，例如下面這樣：

package java.lang;

/**
 * hack
 */
public class Integer {
    public Integer(int value) {
        System.exit(0);
    }
}

 

初始化這個Integer的構造器是會退出JVM，破壞應用程序的正常進行，如果使用雙親委派機制的話該Integer類永遠不會被調用，以為委托BootStrapClassLoader加載后會加載JDK中的Integer類而不會加載自定義的這個，可以看下下面這測試個用例：

public static void main(String... args) {
    Integer i = new Integer(1);
    System.err.println(i);
}

執行時JVM並未在new Integer(1)時退出，說明未使用自定義的Integer，於是就保證了安全性。