JVM实战：ClassLoader的原理及应用

JVM实战：ClassLoader的原理及应用

前言

我原来面试的时候被问过一个这样的问题，如果在你项目中建一个java.lang.String的类，那系统中用的String类是你定义的String类，还是原生api中的String类？

你可以试一下，发现最终系统中用的还是原生api中的String类，为什么会出现这种情况呢？这还得从类的加载过程说起。

我们都知道Java是跨平台的，是因为不同平台下的JVM能将字节码文件解释为本地机器指令，JVM是怎么加载字节码文件的？答案就是ClassLoader，先来打印看一下ClassLoader对象

public class ClassLoaderDemo1 { public static void main(String[] args) { // null System.out.println(String.class.getClassLoader()); ClassLoader loader = ClassLoaderDemo1.class.getClassLoader(); while (loader != null) { // sun.misc.Launcher$AppClassLoader@58644d46 // sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7ea987ac System.out.println(loader); loader = loader.getParent(); } }}

双亲委派模型

要理解这个输出，我们就得说一下双亲委派模型，如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行，如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式，即每个儿子都很懒，每次有活就丢给父亲去干，直到父亲说这件事我也干不了时，儿子自己想办法去完成。双亲委派模式中的父子关系并非通常所说的类继承关系，而是采用组合关系来复用父类加载器的相关代码。

采用双亲委派模式的是好处是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，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。

其次是考虑到安全因素，java核心api中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Integer，而直接返回已加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。

检查和加载过程以及系统提供的ClassLoader的作用如下图。文章一开始的问题，用双亲加载来解释就很容易理解用的是原生api中的String类

类加载器的关系如下：

启动类加载器，由C++实现，没有父类。拓展类加载器(ExtClassLoader)，由Java语言实现，父类加载器为null应用程序类加载器(AppClassLoader)，由Java语言实现，父类加载器为ExtClassLoader系统类加载器(AppClassLoader)，由Java语言实现，父类加载器为ExtClassLoader用户自定义类加载器，父类加载器肯定为AppClassLoader。自定义类加载器，父类加载器肯定为AppClassLoader。

破坏双亲委派模型

但是由于加载范围的限制，顶层的ClassLoader无法访问底层的ClassLoader所加载的类。所以此时需要破坏双亲委派模型，以JDBC为例，讲一下为什么要破坏双亲委派模型

不使用Java SPI

当我们刚开始用JDBC操作数据库时，你一定写过如下的代码。先加载驱动实现类，然后通过DriverManager获取数据库链接

Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");Connection conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://myhost/test?useUnicode=true&characterEncoding=utf-8&useSSL=false", "test", "test");

public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver { public Driver() throws SQLException { } static { try { DriverManager.registerDriver(new Driver()); } catch (SQLException var1) { throw new RuntimeException("Can't register driver!"); } }}

在Driver类中向DriverManager注册对应的驱动实现类

使用Java SPI

在JDBC4.0以后，开始支持使用SPI的方式来注册这个Driver，具体做法就是在mysql的jar包中的META-INF/services/java.sql.Driver 文件中指明当前使用的Driver是哪个。

SPI就是策略模式，根据配置来决定运行时接口的实现类是哪个

这样当使用不同的驱动时，我们不需要手动通过Class.forName加载驱动类，只需要引入相应的jar包即可。于是上面的代码就可以改成如下形式

Connection conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://myhost/test?useUnicode=true&characterEncoding=utf-8&useSSL=false", "test", "test");

那么对应的驱动类是何时加载的呢？

我们从META-INF/services/java.sql.Driver文件中获取具体的实现类“com.mysql.jdbc.Driver”通过Class.forName(“com.mysql.jdbc.Driver”)将这个类加载进来

DriverManager是在rt.jar包中，所以DriverManager是通过启动类加载器加载进来的。而Class.forName()加载用的是调用者的ClassLoader，所以如果用启动类加载器加载com.mysql.jdbc.Driver，肯定加载不到（因为一般情况下启动类加载器只加载rt.jar包中的类哈）。

如何解决呢？

想让顶层的ClassLoader加载底层的ClassLoader，只能破坏双亲委派机制。来看看DriverManager是怎么做的

DriverManager加载时，会执行静态代码块，在静态代码块中，会执行loadInitialDrivers方法。 而这个方法中会加载对应的驱动类。

public class DriverManager { static { loadInitialDrivers(); println("JDBC DriverManager initialized"); } private static void loadInitialDrivers() { // 省略部分代码 AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() { public Void run() { // 根据配置文件加载驱动实现类 ServiceLoader loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class); Iterator driversIterator = loadedDrivers.iterator(); try{ while(driversIterator.hasNext()) { driversIterator.next(); } } catch(Throwable t) { // Do nothing } return null; } }); // 省略部分代码 }}

我们就看他使用的是哪种类型的ClassLoader，可以看到通过执行Thread.currentThread().getContextClassLoader()获取了线程上下文加载器

线程上下文类加载器可以通过Thread.setContextClassLoader()方法设置，默认是应用程序类加载器（AppClassLoader）

// ServiceLoader#loadpublic static ServiceLoader load(Class service) { ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader(); return ServiceLoader.load(service, cl);}

ExtClassLoader和AppClassLoader都是通过Launcher类来创建的，在Launcher类的构造函数中我们可以看到线程上下文类加载器默认是AppClassLoader

public class Launcher { public Launcher() { Launcher.ExtClassLoader var1; try { var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader(); } catch (IOException var10) { throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10); } try { this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1); } catch (IOException var9) { throw new InternalError("Could not create application class loader", var9); } // 设置线程上下文类加载器为AppClassLoader Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader); // 省略部分代码 }}

很明显，线程上下文类加载器让父类加载器能通过调用子类加载器来加载类，这打破了双亲委派模型的原则

自定义类加载器

为什么要自定义类加载器？

ClassLoader实现

Java提供了抽象类java.lang.ClassLoader，所有用户自定义的类加载器都应该继承ClassLoader类，所以我们先看一下ClassLoader的逻辑，看一下它加载类的主要逻辑

我截取了3个重要的方法

loaderClass：实现双亲委派findClass：用来复写加载，即根据传入的类名，返回对应的Class对象defineClass：本地方法，最终加载类只能通过defineClass

// 从这方法开始加载public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException { return loadClass(name, false);}

protected Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{ synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // First, check if the class has already been loaded // 先从缓存查找该class对象，找到就不用重新加载 Class c = findLoadedClass(name); if (c == null) { long t0 = System.nanoTime(); try { if (parent != null) { // 如果加载不到，委托父类去加载 // 这里体现了自底向上检查类是否已经加载 c = parent.loadClass(name, false); } else { // 如果没有父类，委托启动加载器去加载 c = findBootstrapClassOrNull(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { // ClassNotFoundException thrown if class not found // 这里体现了自顶向下尝试加载类，当父类加载加载不到时 // 会抛出ClassNotFoundException // from the non-null parent class loader } if (c == null) { // If still not found, then invoke findClass in order // to find the class. long t1 = System.nanoTime(); // 如果都没有找到，通过自己的实现的findClass去加载 // findClass方法没有找到会抛出ClassNotFoundException 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(); } } // 是否需要在加载时进行解析 if (resolve) { resolveClass(c); } return c; }}

findClass用来复写加载

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

如何自定义类加载器？

Java提供了抽象类java.lang.ClassLoader，所有用户自定义的类加载器都应该继承ClassLoader类

在自定义类加载器的时候，常见的做法有如下两种

重写loadClass方法重写findClass方法

但是一般情况下重写findClass方法即可，不重写loadClass方法。 因为loadClass是用来实现双亲委派模型的地方，修改这个方法会造成模型被破坏，容易操作问题。所以我们一般情况下重写findClass方法即可，根据传入的类名，返回对应的Class对象

下面我们就自己手写一个ClassLoader，从指定文件中加载class文件

public class DemoObj { public String toString() { return "I am DemoObj"; }}

javac生成相应的class文件，放到指定目录，然后由FileClassLoader去加载

public class FileClassLoader extends ClassLoader { // class文件的目录 private String rootDir; public FileClassLoader(String rootDir) { this.rootDir = rootDir; } @Override protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException { byte[] classData = getClassData(name); if (classData == null) { throw new ClassNotFoundException(); } else { return defineClass(name, classData, 0, classData.length); } } private byte[] getClassData(String className) { String path = rootDir + File.separatorChar + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class"; try { InputStream ins = new FileInputStream(path); ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); int bufferSize = 4096; byte[] buffer = new byte[bufferSize]; int bytesNumRead = 0; while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1) { baos.write(buffer, 0, bytesNumRead); } return baos.toByteArray(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } return null; } public static void main(String[] args) { String rootDir = "/Users/peng/study-code/java-learning/src/main/java"; FileClassLoader loader = new FileClassLoader(rootDir); try { // 传入class文件的全限定名 Class clazz = loader.loadClass("com.javashitang.classloader.DemoObj"); // com.javashitang.classloader.FileClassLoader@1b28cdfa System.out.println(clazz.getClassLoader()); // I am DemoObj System.out.println(clazz.newInstance().toString()); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } }}

自定义加载器的应用

可以对class文件进行加密和揭秘，实现应用的热部署，实现应用隔离等。以Tomcat中的ClassLoader为例演示一下

在解释防止类重名作用前先抛出一个问题，Class对象的唯一标识能否只由全限定名确定？

答案是不能，因为你无法保证多个项目间不出现相同全限定名的类

JVM判断2个类是否相同的条件是

全限定名相同由同一个类加载器加载

我们用上面写的FileClassLoader来验证一下

String rootDir = "/Users/peng/study-code/java-learning/src/main/java";FileClassLoader loader1 = new FileClassLoader(rootDir);FileClassLoader loader2 = new FileClassLoader(rootDir);Class class1 = loader1.findClass("com.javashitang.classloader.DemoObj");Class class2 = loader2.findClass("com.javashitang.classloader.DemoObj");// falseSystem.out.println(class1 == class2);

运行时数据区的分布如下

Tomcat中就定义了很多ClassLoader来实现应用的隔离

在Tomcat中提供了一个Common ClassLoader，它主要负责加载Tomcat使用的类和Jar包以及应用通用的一些类和Jar包，例如CATALINA_HOME/lib目录下的所有类和Jar包。

Tomcat会为每个部署的应用创建一个唯一的类加载器，也就是WebApp ClassLoader，它负责加载该应用的WEB-INF/lib目录下的Jar文件以及WEB-INF/classes目录下的Class文件。由于每个应用都有自己的WebApp ClassLoader，这样就可以使不同的Web应用之间相互隔离，彼此之间看不到对方使用的类文件。即使不同项目下的类全限定名有可能相等，也能正常工作。

而对应用进行热部署时，会抛弃原有的WebApp ClassLoader，并为应用创建新的WebApp ClassLoader。

参考博客

JDBC破坏双亲委派模型 [0]一看你就懂，超详细java中的ClassLoader详解 深入理解Java类加载器(ClassLoader) 深度分析Java的ClassLoader机制（源码级别） [3]详细深入分析 Java ClassLoader 工作机制 深入分析Java ClassLoader原理 深入理解JVM中的ClassLoader

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