深入理解JVM之ClassLoader
jovisoft 2019-06-26
Java在诞生之初便提出 "Write Once, Run Anywhere"，各提供商发布很多不同平台的虚拟机，这些虚拟机都可以载入并执行同平台无关的字节码。
设计者在第一版Java虚拟机规范中便承诺 "In the future, we will consider bounded extensions to the Java virtual machine to provide better support for other languages"，时至今日，商业机构和开源机构已在Java之外发展出一大批可以在JVM上运行的语言，如Clojure、Groovy、JRuby、Jpython、Scala、Kotlin等。这些语言都不是本地可执行程序，需要JVM将编译后的class文件加载后才能够运行，负责加载class文件的组件便是ClassLoader.
JVM类加载流程
java语言系统内置了众多类加载器，从一定程度上讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器，此类加载由C++实现，是JVM的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器均由java实现，且全部继承自java.lang.ClassLoader
- Bootstrap ClassLoader 启动类加载器，最顶层的加载类，由C++实现，负责加载%JAVA_HOME%/lib目录中或-Xbootclasspath中参数指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（按名称）类库
- Extention ClassLoader 扩展类加载器，由启动类加载器加载，实现为
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader，负责加载目录%JRE_HOME%/lib/ext目录中或-Djava.ext.dirs中参数指定的路径中的jar包和class文件 - Application ClassLoader 应用类加载器，也称为系统类加载器(System ClassLoader，可由
java.lang.ClassLoader.getSystemClassLoader()获取)，实现为sun.misc.Launcher$AppClassLoader，由启动类加载器加载，负责加载当前应用classpath下的所有类
双亲委派模型
java语言系统有众多类加载器，包括用户自定义类加载器，各加载器之间的加载顺序如何？首先从JVM入口应用sun.misc.Launcher聊起
Launcher
public Launcher() {
ExtClassLoader localExtClassLoader;
try {
// 加载扩展类加载器
localExtClassLoader = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
} catch (IOException localIOException1) {
throw new InternalError("Could not create extension class loader", localIOException1);
}
try {
// 加载应用类加载器
this.loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(localExtClassLoader);
} catch (IOException localIOException2) {
throw new InternalError("Could not create application class loader", localIOException2);
}
// 设置AppClassLoader为线程上下文类加载器
Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
// ...
static class ExtClassLoader extends java.net.URLClassLoader
static class AppClassLoader extends java.net.URLClassLoader
}Launcher初始化了ExtClassLoader和AppClassLoader，并将AppClassLoader设置为线程上下文类加载器，同时，初始化AppClassLoader时传入了ExtClassLoader实例，WHY? 这里要写一个大大的问号
ExtClassLoader和AppClassLoader都继承自URLClassLoader，而最终的父类则为ClassLoader。
查看源码可以得知，初始化AppClassLoader时传入的ExtClassLoader实例最终设置为了AppClassLoader(ClassLoader)的parent属性，parent属性的作用是什么？
父类加载器
每个类都对应一个加载它的类加载器，我们可以通过程序来验证
public class ClassLoaderDemo {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("ClassLodarDemo's ClassLoader is " + ClassLoaderDemo.class.getClassLoader());
System.out.println("DNSNameService's ClassLoader is " + DNSNameService.class.getClassLoader());
System.out.println("String's ClassLoader is " + String.class.getClassLoader());
}
}输出为
ClassLodarDemo's ClassLoader is sun.misc.Launcher$AppClassLoader@135fbaa4 DNSNameService's ClassLoader is sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@6e0be858 String's ClassLoader is null
ClassLodarDemo为我们自己创建的类，其类加载器为AppClassLoader
DNSNameService为%JRE_HOME%/lib/ext目录下的类，其类加载器为ExtClassLoader
String存在于rt.jar中，但其类加载器为null，这里是应为rt.jar由Bootstrap ClassLoader加载，而Bootstrap ClassLoader是由C++编写，属于JVM的一部分
每个类加载器，都有一个父类加载器(parent)，同样通过程序验证
public class ClassLoaderDemo {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("ClassLodarDemo's ClassLoader is " + ClassLoaderDemo.class.getClassLoader());
System.out.println("The Parent of ClassLodarDemo's ClassLoader is " + ClassLoaderDemo.class.getClassLoader().getParent());
System.out.println("The GrandParent of ClassLodarDemo's ClassLoader is " + ClassLoaderDemo.class.getClassLoader().getParent().getParent());
}
}输出为
ClassLodarDemo's ClassLoader is sun.misc.Launcher$AppClassLoader@135fbaa4 The Parent of ClassLodarDemo's ClassLoader is sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@2503dbd3 The GrandParent of ClassLodarDemo's ClassLoader is null
AppClassLoader的父类加载器为ExtClassLoaderExtClassLoader的父类加载器为null，null并不代表ExtClassLoader没有父类加载器，而是Bootstrap ClassLoader
双亲委派
类加载器在加载类或者其他资源时，使用的是如上图所示的双亲委派模型，这种模型要求除了顶层的BootStrap ClassLoader外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器（父类加载器不是父类继承），如果一个类加载器收到了类加载请求，首先会把这个请求委派给父类加载器加载，只有父类加载器无法完成类加载请求时，子类加载器才会尝试自己去加载。
要理解双亲委派，可以查看ClassLoader.loadClass方法
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 检查是否已经加载过
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) { // 没有被加载过
long t0 = System.nanoTime();
// 首先委派给父类加载器加载
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) {
// 如果父类加载器无法加载，才尝试加载
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
// this is the defining class loader; record the stats
sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}破坏双亲委派模型
双亲委派模型并不是一个强制性的约束模型，在java的世界中大部分的类加载器都遵循这个模型，但也有例外，一个典型的例子便是JNDI服务。
JNDI存放于rt.jar，由启动类加载器加载，JNDI的目的是对资源进行集中管理和查找，它需要调用由各厂商实现并部署在应用程序ClassPath下的JNDI接口实现的代码，如此一来，在双亲委派模型下，启动类加载器根本无法加载这些代码
针对此问题，java设计团队引入了线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader），这个类加载器可以通过Thread类的setContextClassLoader进行设置，默认继承父线程类加载器
通过线程上下文类加载器，JNDI服务通过此类加载器，由父类加载器请求子类加载器完成类加载动作
破坏双亲委派模型的例子还有很多，如tomcat服务、osgi、jigsaw等等，是否破坏双亲委派模型并没有对与错，只是不同场景下的具体应用而已
自定义ClassLoader
不论是AppClassLoader还是ExtClassLoader还是启动类加载器，其加载类的路径都是固定的，如果我们需要加载外部类或者资源，如某路径下或网络上，这样便需要自定义类加载器
自定义类加载器，只需要继承ClassLoader类，复写findClass方法，在findClass方法中调用defineClass方法即可
一个ClassLoader创建时如果没有指定parent，那么它的parent默认就是AppClassLoader
如果需要制定一个ClassLoader的父类加载器为启动类加载器，只需要将其parent指定为null即可
首先，编写一个测试用的类文件
public class BeLoadedClass {
public void say() {
System.out.println("I'm Loaded by " + this.getClass().getClassLoader());
}
}将其编译，放入/data/classloader目录下
接下来，编写DiskClassLoader
public class DiskClassLoader extends URLClassLoader {
public DiskClassLoader(URL path) throws MalformedURLException {
super(new URL[]{path});
}
public DiskClassLoader(URL path, ClassLoader parent) throws MalformedURLException {
super(new URL[]{path}, parent);
}
}这里直接继承URLClassLoader类，该类findClass的实现如下
protected Class<?> findClass(final String name) throws ClassNotFoundException {
final Class<?> result;
try {
result = AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction<Class<?>>() {
public Class<?> run() throws ClassNotFoundException {
// 类文件全路径
String path = name.replace('.', '/').concat(".class");
// 指定资源目录下查找
Resource res = ucp.getResource(path, false);
if (res != null) {
try {
// 调用defineClass生成类
return defineClass(name, res);
} catch (IOException e) {
throw new ClassNotFoundException(name, e);
}
} else {
return null;
}
}
}, acc);
} catch (java.security.PrivilegedActionException pae) {
throw (ClassNotFoundException) pae.getException();
}
if (result == null) {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
return result;
}编写测试程序
public class ClassLoaderDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
URL path = new File("/data/classloader").toURI().toURL();
DiskClassLoader diskClassLoaderA = new DiskClassLoader(path);
Class<?> clazzA = diskClassLoaderA.loadClass("BeLoadedClass");
Method sayA = clazzA.getMethod("say");
Object instanceA = clazzA.newInstance();
sayA.invoke(instanceA);
System.out.println(diskClassLoaderA);
System.out.println("clazzA@" + clazzA.hashCode());
System.out.println("====");
DiskClassLoader diskClassLoaderB = new DiskClassLoader(path, diskClassLoaderA);
Class<?> clazzB = diskClassLoaderB.loadClass("BeLoadedClass");
Method sayB = clazzB.getMethod("say");
Object instanceB = clazzA.newInstance();
sayB.invoke(instanceB);
System.out.println(diskClassLoaderB);
System.out.println("clazzB@" + clazzB.hashCode());
System.out.println("====");
DiskClassLoader diskClassLoaderC = new DiskClassLoader(path);
Class<?> clazzC = diskClassLoaderC.loadClass("BeLoadedClass");
Method sayC = clazzC.getMethod("say");
Object instanceC = clazzC.newInstance();
sayC.invoke(instanceC);
System.out.println(diskClassLoaderC);
System.out.println("clazzC@" + clazzC.hashCode());
System.out.println("====");
System.out.println("clazzA == clazzB " + (clazzA == clazzB));
System.out.println("clazzC == clazzB " + (clazzC == clazzB));
}
}输出为
I'm Loaded by com.manerfan.jvm.oom.DiskClassLoader@4b67cf4d com.manerfan.jvm.DiskClassLoader@4b67cf4d clazzA@312714112 ==== I'm Loaded by com.manerfan.jvm.oom.DiskClassLoader@4b67cf4d com.manerfan.jvm.DiskClassLoader@29453f44 clazzB@312714112 ==== I'm Loaded by com.manerfan.jvm.oom.DiskClassLoader@5cad8086 com.manerfan.jvm.DiskClassLoader@5cad8086 clazzC@1639705018 ==== clazzA == clazzB true clazzC == clazzB false
这里我们定义了3个ClassLoader，类搜索路径均为/data/classloader，其中diskClassLoaderB的父类加载器为diskClassLoaderA
clazzA clazzB clazzC 分别由 diskClassLoaderA diskClassLoaderB diskClassLoaderC 加载
instanceA instanceB instanceA 分别由 clazzA clazzB clazzC 创建
从输出可以看出，instanceA及instanceB所对应的class均由diskClassLoaderA加载
虽然diskClassLoaderA与diskClassLoaderB为两个不同的类加载器，但由于diskClassLoaderB的父类加载器为diskClassLoaderA，从输出结果可以看出，clazzA与clazzB完全相同（包括内存地址），这也说明clazzA与clazzB均由同一类加载器加载
而instanceC所对应的class，classC却是由diskClassLoaderC加载
这个例子，能更好的帮助理解双亲委派模型
类的唯一性
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一同确立其在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
如上例，虽然classA(classB)与classC的类路径相同，但由于被不同的类加载器加载，其却属于两个不同的类名称空间
