双亲委派模型

类加载器

加载类的开放性

类加载器(ClassLoader)是 Java 语言的一项创新,也是 Java 流行的一个重要原因。在类加载的第一阶段“加载”过程中,需要通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流,完成这个动作的代码块就是 类加载器。这一动作是放在 Java 虚拟机外部去实现的,以便让应用程序自己决定如何获取所需的类。

虚拟机规范并没有指明二进制字节流要从一个 Class 文件获取,或者说根本没有指明从哪里获取、怎样获取。这种开放使得 Java 在很多领域得到充分运用,例如:

  • 从 ZIP 包中读取,这很常见,成为 JAR,EAR,WAR 格式的基础
  • 从网络中获取,最典型的应用就是 Applet
  • 运行时计算生成,最典型的是动态代理技术,在 java.lang.reflect.Proxy 中,就是用了 ProxyGenerator.generateProxyClass 来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流
  • 有其他文件生成,最典型的 JSP 应用,由 JSP 文件生成对应的 Class 类

类加载器与类的唯一性

类加载器虽然只用于实现类的加载动作,但是对于任意一个类,都需要由加载它的类加载器和这个类本身共同确立其在 Java 虚拟机中的 唯一性。通俗的说,JVM 中两个类是否“相等”,首先就必须是同一个类加载器加载的,否则,即使这两个类来源于同一个 Class 文件,被同一个虚拟机加载,只要类加载器不同,那么这两个类必定是不相等的。

这里的“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,也包括使用 instanceof 关键字做对象所属关系判定等情况。

下代码说明了不同的类加载器对 instanceof 关键字运算的结果的影响。

package com.jvm.classloading;

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

/**
 * 类加载器在类相等判断中的影响
 * 
 * instanceof关键字
 * 
 */

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 自定义类加载器
        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 的类加载器加载本类
        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);

        // 使用自定义类加载器加载本类
        Object obj2 = myLoader.loadClass("com.jvm.classloading.ClassLoaderTest").newInstance();
        System.out.println(obj2.getClass());
        System.out.println(obj2 instanceof com.jvm.classloading.ClassLoaderTest);
    }
}
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输出结果:

class com.jvm.classloading.ClassLoaderTest
true
class com.jvm.classloading.ClassLoaderTest
false
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4

myLoader 是自定义的类加载器,可以用来加载与自己在同一路径下的 Class 文件。main 函数的第一部分使用系统加载主类 ClassLoaderTest 的类加载器加载 ClassLoaderTest,输出显示,obj1 的所属类型检查正确,这是虚拟机中有 2 个 ClassLoaderTest 类,一个是主类,另一个是 main() 方法中加载的类,由于这两个类使用同一个类加载器加载并且来源于同一个 Class 文件,因此这两个类是完全相同的。

第二部分使用自定义的类加载器加载 ClassLoaderTest,class com.jvm.classloading.ClassLoaderTest 显示,obj2 确实是类 com.jvm.classloading.ClassLoaderTest 实例化出来的对象,但是第二句输出 false。此时虚拟机中有 3 个 ClassLoaderTest 类,由于第 3 个类的类加载器与前面 2 个类加载器不同,虽然来源于同一个 Class 文件,但它是一个独立的类,所属类型检查是返回结果自然是 false。

双亲委派模型

类加载器种类

从 Java 虚拟机的角度来说,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),这个类加载器使用 C++ 语言实现(HotSpot 虚拟机中),是虚拟机自身的一部分;另一种就是所有其他的类加载器,这些类加载器都有 Java 语言实现,独立于虚拟机外部,并且全部继承自 java.lang.ClassLoader

从开发者的角度,类加载器可以细分为:

  • 启动(Bootstrap)类加载器:负责将 Java_Home/lib 下面的类库加载到内存中(比如 rt.jar)。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节,开发者无法直接获取到启动类加载器的引用,所以不允许直接通过引用进行操作。
  • 标准扩展(Extension)类加载器:是由 Sun 的 ExtClassLoader(sun.misc.Launcher$ExtClassLoader) 实现的。它负责将 Java_Home /lib/ext 或者由系统变量 java.ext.dir 指定位置中的类库加载到内存中。开发者可以直接使用标准扩展类加载器。
  • 应用程序(Application)类加载器:是由 Sun 的 AppClassLoader(sun.misc.Launcher$AppClassLoader) 实现的。它负责将系统类路径(CLASSPATH)中指定的类库加载到内存中。开发者可以直接使用系统类加载器。由于这个类加载器是 ClassLoader 中的 getSystemClassLoader() 方法的返回值,因此一般称为系统(System)加载器。

除此之外,还有自定义的类加载器,它们之间的层次关系被称为类加载器的 双亲委派模型。该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该有自己的父类加载器,而这种父子关系一般通过组合(Composition)关系来实现,而不是通过继承(Inheritance)。

双亲委派模型

双亲委派模型过程

某个特定的类加载器在接到加载类的请求时,首先将加载任务委托给父类加载器,依次递归,如果父类加载器可以完成类加载任务,就成功返回;只有父类加载器无法完成此加载任务时,才自己去加载。

使用双亲委派模型的好处在于 Java 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 ,它存在在 rt.jar 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 Bootstrap ClassLoader 进行加载,因此 Object 类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反,如果没有双亲委派模型而是由各个类加载器自行加载的话,如果用户编写了一个 java.lang.Object 的同名类并放在 ClassPath 中,那系统中将会出现多个不同的 Object 类,程序将混乱。因此,如果开发者尝试编写一个与 rt.jar 类库中重名的 Java 类,可以正常编译,但是永远无法被加载运行。

双亲委派模型的系统实现

java.lang.ClassLoaderloadClass() 方法中,先检查是否已经被加载过,若没有加载则调用父类加载器的 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。如果父加载失败,则抛出 ClassNotFoundException 异常后,再调用自己的 findClass() 方法进行加载。

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;
}
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注意,双亲委派模型是 Java 设计者推荐给开发者的类加载器的实现方式,并不是强制规定的。大多数的类加载器都遵循这个模型,但是 JDK 中也有较大规模破坏双亲模型的情况,例如线程上下文类加载器(Thread Context ClassLoader)的出现

上次更新: 2019-1-6 11:38:17