【JVM】類加載器與雙親委派模型

類加載器在加載階段，會將class文件加載進方法區。有關類加載的全過程，可以先參考我的另外一篇文章類的奇幻漂流——類加載機制探祕

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類加載器的類型

類加載器有以下種類：

• 啓動類加載器（Bootstrap ClassLoader）
• 擴展類加載器（Extension ClassLoader）
• 應用類加載器（Application ClassLoader)

啓動類加載器

內嵌在JVM內核中的加載器，由C++語言編寫（因此也不會繼承ClassLoader），是類加載器層次中最頂層的加載器。用於加載java的核心類庫，即加載jre/lib/rt.jar裏所有的class。由於啓動類加載器涉及到虛擬機本地實現細節，我們無法獲取啓動類加載器的引用。

擴展類加載器

它負責加載JRE的擴展目錄，jre/lib/ext或者由java.ext.dirs系統屬性指定的目錄中jar包的類。父類加載器爲啓動類加載器，但使用擴展類加載器調用getParent依然爲null。

應用類加載器

又稱系統類加載器，可用通過 java.lang.ClassLoader.getSystemClassLoader()方法獲得此類加載器的實例，系統類加載器也因此得名。應用類加載器主要加載classpath下的class，即用戶自己編寫的應用編譯得來的class，調用getParent返回擴展類加載器。

擴展類加載器與應用類加載器繼承結構如圖所示：

 

可以看到除了啓動類加載器，其餘的兩個類加載器都繼承於ClassLoader，我們自定義的類加載，也需要繼承ClassLoader。

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雙親委派機制

當一個類加載器收到了一個類加載請求是，它自己不會先去嘗試加載這個類，而是把這個請求轉交給父類加載器，每一個層的類加載器都是如此，因此所有的類加載請求都應該傳遞到最頂層的啓動類加載器中。只有當父類加載器在自己的加載範圍內沒有搜尋到該類時，並向子類反饋自己無法加載後，子類加載器纔會嘗試自己去加載。

ClassLoader內的loadClass方法，就很好的解釋了雙親委派的加載模式：

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            //檢查該class是否已經被當前類加載器加載過
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
              //此時該class還沒有被加載
                try {
                    if (parent != null) {
                      //如果父加載器不爲null,則委託給父類加載
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                       //如果父加載器爲null,說明當前類加載器已經是啓動類加載器，直接時候用啓動類加載器去加載該class
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                }

                if (c == null) {
                    //此時父類加載器都無法加載該class,則使用當前類加載器進行加載
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);
                    ...
                }
            }
            //是否需要連接該類
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

爲什麼要使用雙親委派機制，就使用當前的類加載器去加載不就行了嗎？爲啥搞得這麼複雜呢？

假設現在並沒有雙親委派機制，有這樣的一個場景：

用戶寫了一個Student類，點擊運行，此時編譯完成後，虛擬機開始加載class，該class會由應用加載器進行加載，由於Object類是Student的父類，且雙親委派機制不存在的情況下，應用加載器就會自己嘗試加載Object類，但是用戶壓根沒定義Object，即應用加載器無法在加載範圍搜尋到該類，所以此時Object類無法被加載，用戶寫的代碼無法運行。

假設該用戶自己定義了一個Object類，此時再次運行後，應用類加載器則會正常加載用戶定義的Object與Student類。Student類中會調用System.out.print()輸出Student對象，此時會由啓動類加載器加載System類，在此之前同樣也會加載Object類。

此時，方法區中有了兩份Object的元數據，Object類被重複加載了！

倘若用戶定義的Object類不安全，可能直接造成虛擬機崩潰或者引起重大安全問題。

如果現在使用雙親委派機制，用戶雖然自己定義了Object類，可以通過編譯，但是永遠不會被記載進方法區。

雙親委派機制避免了重複加載，也保證了虛擬機的安全。

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自定義類加載器

我們整理ClassLoader裏面的流程

1. loadclass：判斷是否已加載，使用雙親委派模型，請求父加載器，父加載器反饋無法加載，因此使用findclass，讓當前類加載器查找
2. findclass：當前類加載器根據路徑以及class文件名稱加載字節碼，從class文件中讀取字節數組，然後使用defineClass
3. defineclass：根據字節數組，返回Class對象

我們在ClassLoader裏面找到findClass方法，發現該方法直接拋出異常，應該是留給子類實現的。

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

到這裏，我們應該明白，loadClass方法使用了模版方法模式，主線邏輯是雙親委派，但如何將class文件轉化爲Class對象的步驟，已經交由子類去實現。對模版方法模式不熟悉的同學，可以先參考我的另外一篇文章模版方法模式

其實源碼中，已經有一個自定義類加載的樣例代碼，在注視中：

      class NetworkClassLoader extends ClassLoader {
          String host;
          int port;
 
          public Class findClass(String name) {
              byte[] b = loadClassData(name);
              return defineClass(name, b, 0, b.length);
          }
 
          private byte[] loadClassData(String name) {
              // load the class data from the connection
             
          }
      }

看得出來，如果我們需要自定義類加載器，只需要繼承ClassLoader，並且重寫findClass方法即可。

現在有一個簡單的樣例，class文件依然在文件目錄中：

package com.yang.testClassLoader;

import sun.misc.Launcher;

import java.io.*;

public class MyClassLoader extends ClassLoader {

    /**
     * 類加載路徑,不包含文件名
     */
    private String path;


    public MyClassLoader(String path) {
        super();
        this.path = path;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] bytes = getBytesFromClass(name);
        assert bytes != null;
        //讀取字節數組，轉化爲Class對象
        return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
    }

    //讀取class文件，轉化爲字節數組
    private byte[] getBytesFromClass(String name) {
        String absolutePath = path + "/" + name + ".class";
        FileInputStream fis = null;
        ByteArrayOutputStream bos = null;
        try {
            fis = new FileInputStream(new File(absolutePath));
            bos = new ByteArrayOutputStream();
            byte[] temp = new byte[1024];
            int len;
            while ((len = fis.read(temp)) != -1) {
                bos.write(temp, 0, len);
            }
            return bos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (null != fis) {
                try {
                    fis.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (null != bos) {
                try {
                    bos.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("C://develop");
        Class test = classLoader.loadClass("Student");
        test.newInstance();
    }
}

Student類：

public class Student {
    public Student() {
        System.out.println("student classloader is" + this.getClass().getClassLoader().toString());
    }
}

注意，這個Student類千萬不要加包名，idea報錯不管他即可，然後使用javac Student.java編譯該類，將生成的class文件複製到c://develop下即可。

運行MyClassLoader的main方法後，可以看到輸出：

看得出來，Student.class確實是被我們自定義的類加載器給加載了。

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破壞雙親委派

從上面的自定義類加載器的內容中，我們應該可以猜到了，破壞雙親委派直接重寫loadClass方法就完事了。事實上，我們確實可以重寫loadClass方法，畢竟這個方法沒有被final修飾。雙親委派既然有好處，爲什麼jdk對loadClass開放重寫呢？這要從雙親委派引入的時間來看：

雙親委派模型是在JDK1.2之後才被引入的，而類加載器和抽象類java.lang.ClassLoader則在JDK1.0時代就已經存在，面對已經存在的用戶自定義類加載器的實現代碼，Java設計者引入雙親委派模型時不得不做出一些妥協。在此之前，用戶去繼承java.lang.ClassLoader的唯一目的就是爲了重寫loadClass()方法，jdk爲了向前兼容，不得已開放對loadClass的重寫操作。

當然，也不止這一次對雙親委派模型的破壞，詳細的文章可以參考破壞雙親委派模型，裏面提到了一個“線程上下文類加載器”，對這個不熟悉的同學可以參考真正理解線程上下文類加載器（多案例分析）

我們經常用的Tomcat與jdbc，就破壞了雙親委派，礙於文章的篇幅與博主的水平，暫時不在這裏討論破壞的原因，有興趣的同學可以參考這一篇文章JDBC、Tomcat爲什麼要破壞雙親委派模型？