深入理解Java虚拟机(2)之十二-类加载器

虚拟机团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现,以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

类与类加载器

比较两个类是否“相等”,只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提先才有意义,否则,即时这两个类来源同一个Class文件,被同一个虚拟机加载,只要加载它们的类加载器不同,那这两个类就必定不相等。

这里的“相等”,包括代表类的Class对象的equal()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。

双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来讲,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,是虚拟机自身的一部分;
  • 另一种就是所有其他的类加载器,这些类加载器都是由Java语言实现,独立于虚拟机外部,并且全都继承自抽象类java.lang.Classloader

从Java开发人员的角度来看,类加载器还可以划分得更细致一些,绝大部分Java程序都会使用到以下3种系统提供的类加载器。

  • 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中的,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的,并且是虚拟机识别的(仅按照文件名识别,如rt.jar)类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用,用户在编写自定义类加载器时,如果需要把加载请求委派给引导类加载器,那直接使用null代替即可。
  • 扩展类加载器(Extension ClassLoader):这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中,或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库,开发者可以直接使用扩展类加载器。
  • 应用程序类加载器(Application ClassLoader):这个加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()的返回值,所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径(ClassPath)上所指定的类库,开发者可以直接使用这个类加载器,如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器,一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

我们的应用程序都是由这3种类加载器相互配合进行加载的,如果有必要,还可以加入自己定义的类加载器。

双亲委派模型

图中展示的类加载器之间的这种层次关系,称为类加载器的双亲委派模型(Parents Delegation Model)。双亲委派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当有自己的父类加载器。这里的类加载器之间的父子关系一般不会以继承(Inheritance)的关系来实现,而是都使用组合(Compositon)关系来复用父加载器的代码。

双亲委派模型的工作过程:

  1. 如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己尝试去加载这个类,而是把这个请求委派给父类加载器去完成,每个层次的类加载器都是如此,因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中。
  2. 只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需的类)时,子加载器才会尝试自己去加载。

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系,一个显而易见的好处就是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java.lang.Object,它存放在rt.jar之中,无论哪一个类要加载这个类,最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载,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,如果没有使用双亲委派模型,由各个类加载器自行去加载的话,如果用户自己编写一个称为java.lang.Object的类,并放在程序的ClassPath中,那系统将会出现多个不同的Object类,Java类型体系中最基础的行为也就无法保证,应用程序也将会变得一片混乱。

破坏双亲委派模型

  1. 双亲委派模型第一次“被破坏”发生在双亲委派模型出现之前——即JDK 1.2发布之前。由于双亲委派模型在JDK 1.2之后才被引入,而类加载器和抽象类java.lang.ClassLoader则在JDK 1.0时代就已经存在,面对已经存在的用户自定义类加载器的实现代码,Java设计者引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协。为了向前兼容,JDK 1.2之后的java.lang.ClassLoader添加了一个新的protected方法findClass(),在此之前,用户去继承java.lang.ClassLoader的唯一目的就是为了重写loadClass()方法,因为虚拟机在进行类加载的时候会调用加载器的私有方法loadClassInternal(),而这个方法的唯一逻辑就是去调用自己的loadClass()

    JDK 1.2之后的已不提倡用户再去覆盖loadClass()方法,而应当把自己的类加载逻辑写到findClass()方法中,在loadClass()方法的逻辑里如果父类加载失败,则会调用自己的findClass()方法来完成架子啊,这样就可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的。

  2. 双亲委派模型第二次“被破坏”是由于这个模型自身的缺陷所导致的,双亲委派很好地解决了各个类加载器的基础类的统一问题,基础类之所以成为“基础”,是因为他们总是作为被用户代码调用的API,但是如果基础类又要调用用户的代码,那该怎么办?

    一个典型的例子便是JNDI服务,JNDI现在已经是Java的标准服务,它的代码由启动类加载器去加载(在JDK 1.3时放进去的rt.jar),但JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找,它需要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI接口提供者(SPiService Provider Inrerface)的代码,但启动类加载器不可能“认识”这些代码,那该怎么办?

    为了解决这个问题,Java设计团队只好引入一个不太优雅的设计:线程上下文类加载器(Thread Context ClassLoader)。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader()方法进行设置,如果创建线程时还未设置,它将会从父线程中继承一个,如果在应用程序的全局范围内都没有设置过,那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

    有了线程上下文类加载器,JNDI服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需要的SPI代码,也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作,这种行为实际上就是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器,实际上已经违背了双亲委派模型的一般性原则,但这也是无可奈何的事情。Java中所有涉及SPI的加载动作基本都是采用这种方法,例如JNDIJDBCJCEJAXBJBI等。

  3. 双亲委派模型第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的,这里所说的“动态性”指的是当前一些非常“热门”的名词:代码热替换(HotSwap)、模块热部署(Hot Deployment)等。

    目前OSGi已经成为业界Java模块化标准,而OSGi实现模块化热部署的关键则是它自定义的类加载器机制的实现。每一个程序模块(OSGi中称为Bundle)都有一个自己的类加载器,当需要更换一个Bundle时,就把Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。

    OSGi环境下,类加载器不再是双亲委派模型中的树状结构,而是进一步发展为更加复杂的网状结构,当收到类加载请求时,OSGi将按照下面的顺序进行类搜索:

    • 将以java.*开头的类委派给父类加载器加载。
    • 否则,将委派列表名单内的类委派给父类加载器加载。
    • 否则,将Import列表中的类委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。
    • 否则,查找当前Bundle的ClassPath,使用自己的类加载器加载。
    • 否则,查找类是否在自己的Fragment Bundle中,如果在,则委派给Fragment Bundle的类加载器加载。
    • 否则,查找Dynamic Import列表的Bundle,委派给对应的Bundle的类加载器加载。
    • 否则,类查找失败。

    上面的查找顺序只有开头两点仍然符合双亲委派规则,其余的类查找都是在平级的类加载器中进行的。


该文章来源《深入理解Java虚拟机》


以上

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