搞个双亲委派然后再破坏,图啥?

我欲只争朝夕
发布于 2023-10-7 11:12
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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。

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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

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类加载器的关系如下:

  1. 启动类加载器,由C++实现,没有父类。
  2. 拓展类加载器(ExtClassLoader),由Java语言实现,父类加载器为null
  3. 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
  4. 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。

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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」

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「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?」

  1. 我们从META-INF/services/java.sql.Driver文件中获取具体的实现类“com.mysql.jdbc.Driver”
  2. 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<Void>() {
            public Void run(){

                // 根据配置文件加载驱动实现类
                ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
                Iterator<Driver> 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#load
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> 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?

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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」

  1. loaderClass:实现双亲委派
  2. findClass:用来复写加载,即根据传入的类名,返回对应的Class对象
  3. 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

  1. 重写loadClass方法
  2. 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」

  1. 全限定名相同
  2. 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");

// false
System.out.println(class1 == class2);

运行时数据区的分布如下

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「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」

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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。




文章转载自公众号:Java识堂

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已于2023-10-7 11:12:02修改
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