說一說JVM雙親委派機制與Tomcat

本文轉載自查看原文 2019-11-12 18:04 548 技術精選

講個故事：

以前，愛搗鼓的小明突然靈機一動，寫出了下面的代碼

package java.lang;


public class String {
    //...復制真正String的其他方法
    
    public boolean equals(Object anObject) {
        sendEmail(xxx)；
        return equalsReal(anObject);
    }
    
    //...
}

這樣，只要引用java.lang.String的人，小明能隨時收到他的系統的相關信息，這簡直是個天才的注意。然而實施的時候卻發現，JVM並沒有加載這個類。

這是為什么呢？

小明能想到的事情，JVM設計者也肯定能想到。

雙親委派模型

上述故事純屬瞎編，不過，這確實是以前JVM存在的一個問題，這幾天看Tomcat源代碼的時候，發現頻繁出現ClassLoader為什么要用這個東西呢？

想要解答這個問題，得先了解一個定義：雙親委派模型。

這個詞第一次看見是在《深入理解JVM》中，目的也是為了解決上面所提出來的問題。

在JVM中，存在三種類型的類加載器：

啟動類（Bootstrap）加載器： 用於加載本地（Navicat）代碼類的加載器，它負責裝入%JAVA_HOME%/lib下面的類。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： 由ExtClassLoader實現，負責加載%JAVA_HOME/lib/ext%或者系統變量java.ext.dir（可使用System.out.println("java.ext.dir")查看)指定的類加載到內存中
系統（System）類加載器： 由AppClassLoader實現，負責加載系統類（環境變量%CLASSPATH%）指定，默認為當前路徑的類加載到內存中。

除去以上三種外，還有一種比較特殊的線程上下文類加載器。存在於Thread類中，一般使用方式為new Thread().getContextClassLoader()

可以看出來，三種類型的加載器負責不同的模塊的加載。那怎么才能保證我所使用的String就是JDK里面的String呢？這就是雙親委派模型的功能了：

上面三種類加載器中，他們之間的關系為：

也就是Bootstrap ClassLoader作為Extension ClassLoader的父類，而Extension ClassLoader作為Application ClassLoader的父類，Application ClassLoader是作為User ClassLoader的父類的。

而雙親委派機制規定：當某個特定的類加載在接收到類加載的請求的時候，首先需要將加載任務委托給父類加載器，依次遞歸到頂層后，如果最高層父類能夠找到需要加載的類，則成功返回，若父類無法找到相關的類，則依次傳遞給子類。

補充：

如果A類引用了B，則JVM將使用加載類A的加載器加載類B
類加載器存在緩存，如果某個加載器以前成功加載過某個類后，再次接受到此類加載請求則直接返回，不再向上傳遞加載請求
可以通過ClassLoader.loadClass()或Class.ForName(xxx,true,classLoader)指定某個加載器加載類
類類型由加載它的加載器和這個類本身共同決定，如果類加載器不同，類名相同，instanceof依然會返回false
父加載器無法加載子加載器能夠加載的類

可以看到，通過雙親委派機制，能夠保證使用的類的安全性，並且可以避免類重名的情況下JVM存在多個相同的類名相同，字節碼不同的類。

回到剛開始講的故事，雖然小明自定義了String,包名也叫java.lang，但是當用戶使用String的時候，會由普通的Application ClassLoader加載java.lang.String，此時通過雙親委派，類加載請求會上傳給Application ClassLoader的父類，直到傳遞給Bootstrap ClassLoader，而此時，Bootstrap ClassLoader將在%JAVA_HOME%/lib中尋找java.lang.String而此時正好能夠找到java.lang.String，加載成功，返回。因此小明自己寫的java.lang.String並沒有被加載。

可以看見，如果真的想要實現小明的計划，只能將小明自己編寫的java.lang.String這個class文件替換到%JAVA_HOME%/lib/rt.jar 中的String.class

自定義ClassLoader

到這里，估計能明白為什么需要雙親委派模型了，而某些時候，我們可以看見許多框架都自定義了ClassLoader，通過自定義ClassLoader，我們可以做很多好玩的事情，比如：設計一個從指定路徑動態加載類的類加載器：

public class DiskClassLoader extends  ClassLoader {

    private String libPath;

    public DiskClassLoader(String path){
        libPath=path;
    }


    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try(FileInputStream fileInputStream=new FileInputStream(new File(libPath,getFileName(name)));
            BufferedInputStream bufferedInputStream=new BufferedInputStream(fileInputStream);
            ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream=new ByteArrayOutputStream()){

                    for (int len=0;(len=bufferedInputStream.read())!=-1;){
                    byteArrayOutputStream.write(len);
                }

            byte[] data=byteArrayOutputStream.toByteArray();
            return defineClass(name,data,0,data.length);
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
        return super.findClass(name);
    }

    private String getFileName(String name) {
        int index = name.lastIndexOf('.');
        if(index == -1){
            return name+".class";
        }else{
            return name.substring(index+1)+".class";
        }
    }
}

上面是一個簡單的例子，可以看見想要自定義ClassLoader,只需要繼承ClassLoader，然后覆蓋findClass()方法即可，其中findClass()是負責獲取指定類的字節碼的，在獲取到字節碼后，需要手動調用defineClass()加載類。

在ClassLoader類中，我們能找到loadClass的源代碼：

 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)       {
    
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {              
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }         

                if (c == null) {
                    
                    c = findClass(name);                 
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;   
    }

在刪減掉一些模板代碼后，我們可以看到loadClass()方法就是實現雙親委派的主要代碼：首先查看類是否有緩存，如果沒有，就調用父類的loadClass方法，讓父類去加載，如果父類加載失敗，則自己加載，如果自己加載失敗，那就返回null,注意：並沒有再找自己的子類去尋找類，也就是在哪里發起的加載，就在哪里結束。

這里可以看到，loadClass()方法並沒有被標記為final的，也就是我們依然可以重載它的loadClass()方法，破壞原本的委派雙親模型。

破壞雙親委派機制

有些時候，雙親委派機制也會遇到一些問題，在介紹雙親委派機制的時候，我列舉了一些補充。而在一些JDK中，存在一些基礎API他們的加載由比較上層的加載器負責,這些API只是一些簡單的接口，而具體的實現可能會由其他用戶自己實現，這個時候就存在一個問題，如果這些基礎的API需要調用/加載用戶的代碼的時候，會發現由於父類無法找到子類所能加載的類的原因，調用失敗。

最典型的例子便是JNDI服務，JNDI服務是在JDK1.3的時候放入rt.jar中，而rt.jar有Bootstrap ClassLoader加載，JNDI的功能是對資源進行集中管理和查找，它需要調用獨立廠商實現部部署在應用程序的classpath下的JNDI接口提供者(SPI, Service Provider Interface)的代碼，但啟動類加載器不可能“認識”之些代碼，該怎么辦？

這就需要用到最開始講的特殊的加載器：上下文類加載器

上下文類加載器的使用方式為：Thread.currentThread().getContextClassLoader()

上下文類加載器是什么意思呢？可以看源碼，Thread初始化是通過本地方法currentThread();初始化的，而classLoader也正是通過currentThread初始化，currentThread指的是當前正在運行的線程。

而默認情況下，啟動Launcher后，Launcher會將當前線程的上下文加載器設置為Application ClassLoader

public Launcher() {
    //...
    try {
        this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
    } catch (IOException var9) {
        throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
    }
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
    //...
}

因此，上下文類加載器默認就是系統加載器，通過上下文加載器，更高級別的加載器便可以調用系統加載器加載一個類。