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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。
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<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？
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");
// false
System.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。
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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