一、類加載器

類加載器，顧名思義就是一個(gè)可以將Java字節(jié)碼加載為java.lang.Class實(shí)例的工具。這個(gè)過程包括，讀取字節(jié)數(shù)組、驗(yàn)證、解析、初始化等。另外，它也可以加載資源，包括圖像文件和配置文件。

類加載器的特點(diǎn)：

• 動(dòng)態(tài)加載，無需在程序一開始運(yùn)行的時(shí)候加載，而是在程序運(yùn)行的過程中，動(dòng)態(tài)按需加載，字節(jié)碼的來源也很多，壓縮包jar、war中，網(wǎng)絡(luò)中，本地文件等。類加載器動(dòng)態(tài)加載的特點(diǎn)為熱部署，熱加載做了有力支持。
• 全盤負(fù)責(zé)，當(dāng)一個(gè)類加載器加載一個(gè)類時(shí)，這個(gè)類所依賴的、引用的其他所有類都由這個(gè)類加載器加載，除非在程序中顯式地指定另外一個(gè)類加載器加載。所以破壞雙親委派不能破壞擴(kuò)展類加載器以上的順序。

一個(gè)類的唯一性由加載它的類加載器和這個(gè)類的本身決定（類的全限定名+類加載器的實(shí)例ID作為唯一標(biāo)識(shí)）。比較兩個(gè)類是否相等（包括Class對(duì)象的equals()、isAssignableFrom()、isInstance()以及instanceof關(guān)鍵字等），只有在這兩個(gè)類是由同一個(gè)類加載器加載的前提下才有意義，否則，即使這兩個(gè)類來源于同一個(gè)Class文件，被同一個(gè)虛擬機(jī)加載，只要加載它們的類加載器不同，這兩個(gè)類就必定不相等。

從實(shí)現(xiàn)方式上，類加載器可以分為兩種：一種是啟動(dòng)類加載器，由C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，是虛擬機(jī)自身的一部分；另一種是繼承于java.lang.ClassLoader的類加載器，包括擴(kuò)展類加載器、應(yīng)用程序類加載器以及自定義類加載器。

啟動(dòng)類加載器（Bootstrap ClassLoader）：負(fù)責(zé)加載<JAVA_HOME>\lib目錄中的，或者被-Xbootclasspath參數(shù)所指定的路徑，并且是虛擬機(jī)識(shí)別的（僅按照文件名識(shí)別，如rt.jar，名字不符合的類庫(kù)即使放在lib目錄中也不會(huì)被加載）類庫(kù)加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中。啟動(dòng)類加載器無法被Java程序直接引用，用戶在編寫自定義類加載器時(shí)，如果想設(shè)置Bootstrap ClassLoader為其parent，可直接設(shè)置null。

擴(kuò)展類加載器（Extension ClassLoader）：負(fù)責(zé)加載<JAVA_HOME>\lib\ext目錄中的，或者被java.ext.dirs系統(tǒng)變量所指定路徑中的所有類庫(kù)。該類加載器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)展類加載器由啟動(dòng)類加載器加載，其父類加載器為啟動(dòng)類加載器，即parent=null。

應(yīng)用程序類加載器（Application ClassLoader）：負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（ClassPath）上所指定的類庫(kù)，由sun.misc.Launcher$App-ClassLoader實(shí)現(xiàn)。開發(fā)者可直接通過java.lang.ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法獲取應(yīng)用程序類加載器，所以也可稱它為系統(tǒng)類加載器。應(yīng)用程序類加載器也是啟動(dòng)類加載器加載的，但是它的父類加載器是擴(kuò)展類加載器。在一個(gè)應(yīng)用程序中，系統(tǒng)類加載器一般是默認(rèn)類加載器。

二、雙親委派機(jī)制

2.1 什么是雙親委派

JVM 并不是在啟動(dòng)時(shí)就把所有的.class文件都加載一遍，而是程序在運(yùn)行過程中用到了這個(gè)類才去加載。除了啟動(dòng)類加載器外，其他所有類加載器都需要繼承抽象類ClassLoader，這個(gè)抽象類中定義了三個(gè)關(guān)鍵方法，理解清楚它們的作用和關(guān)系非常重要。

public abstract class ClassLoader {

    //每個(gè)類加載器都有個(gè)父加載器
    private final ClassLoader parent;
    
    public Class<?> loadClass(String name) {
  
        //查找一下這個(gè)類是不是已經(jīng)加載過了
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        
        //如果沒有加載過
        if( c == null ){
          //先委派給父加載器去加載，注意這是個(gè)遞歸調(diào)用
          if (parent != null) {
              c = parent.loadClass(name);
          }else {
              // 如果父加載器為空，查找Bootstrap加載器是不是加載過了
              c = findBootstrapClassOrNull(name);
          }
        }
        // 如果父加載器沒加載成功，調(diào)用自己的findClass去加載
        if (c == null) {
            c = findClass(name);
        }
        
        return c；
    }
    
    protected Class<?> findClass(String name){
       //1. 根據(jù)傳入的類名name，到在特定目錄下去尋找類文件，把.class文件讀入內(nèi)存
          ...
          
       //2. 調(diào)用defineClass將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)成Class對(duì)象
       return defineClass(buf, off, len)；
    }
    
    // 將字節(jié)碼數(shù)組解析成一個(gè)Class對(duì)象，用native方法實(shí)現(xiàn)
    protected final Class<?> defineClass(byte[] b, int off, int len){
       ...
    }
}

從上面的代碼可以得到幾個(gè)關(guān)鍵信息：

• JVM 的類加載器是分層次的，它們有父子關(guān)系，而這個(gè)關(guān)系不是繼承維護(hù)，而是組合，每個(gè)類加載器都持有一個(gè) parent字段，指向父加載器。（AppClassLoader的parent是ExtClassLoader，ExtClassLoader的parent是BootstrapClassLoader，但是ExtClassLoader的parent=null。）
• defineClass方法的職責(zé)是調(diào)用 native 方法把 Java 類的字節(jié)碼解析成一個(gè) Class 對(duì)象。
• findClass方法的主要職責(zé)就是找到.class文件并把.class文件讀到內(nèi)存得到字節(jié)碼數(shù)組，然后調(diào)用 defineClass方法得到 Class 對(duì)象。子類必須實(shí)現(xiàn)findClass。
• loadClass方法的主要職責(zé)就是實(shí)現(xiàn)雙親委派機(jī)制：首先檢查這個(gè)類是不是已經(jīng)被加載過了，如果加載過了直接返回，否則委派給父加載器加載，這是一個(gè)遞歸調(diào)用，一層一層向上委派，最頂層的類加載器（啟動(dòng)類加載器）無法加載該類時(shí)，再一層一層向下委派給子類加載器加載。

2.2 為什么要雙親委派？

雙親委派保證類加載器，自下而上的委派，又自上而下的加載，保證每一個(gè)類在各個(gè)類加載器中都是同一個(gè)類。

一個(gè)非常明顯的目的就是保證java官方的類庫(kù)<JAVA_HOME>\lib和擴(kuò)展類庫(kù)<JAVA_HOME>\lib\ext的加載安全性，不會(huì)被開發(fā)者覆蓋。

例如類java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，無論哪個(gè)類加載器要加載這個(gè)類，最終都是委派給啟動(dòng)類加載器加載，因此Object類在程序的各種類加載器環(huán)境中都是同一個(gè)類。

如果開發(fā)者自己開發(fā)開源框架，也可以自定義類加載器，利用雙親委派模型，保護(hù)自己框架需要加載的類不被應(yīng)用程序覆蓋。

三、破壞雙親委派

如果想自定義類加載器，就需要繼承ClassLoader，并重寫findClass，如果想不遵循雙親委派的類加載順序，還需要重寫loadClass。如下是一個(gè)自定義的類加載器，并重寫了loadClass破壞雙親委派：

package com.stefan.DailyTest.classLoader;

import java.io.*;

public class TestClassLoader extends ClassLoader {
    public TestClassLoader(ClassLoader parent) {
        super(parent);
    }
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // 1、獲取class文件二進(jìn)制字節(jié)數(shù)組
        byte[] data = null;
        try {
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("C:\\study\\myStudy\\JavaLearning\\target\\classes\\com\\stefan\\DailyTest\\classLoader\\Demo.class"));
            byte[] bytes = new byte[1024];
            int len = 0;
            while ((len = fis.read(bytes)) != -1) {
                baos.write(bytes, 0, len);
            }
            data = baos.toByteArray();
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 2、字節(jié)碼數(shù)組加載到 JVM 的方法區(qū)，
        // 并在 JVM 的堆區(qū)建立一個(gè)java.lang.Class對(duì)象的實(shí)例
        // 用來封裝 Java 類相關(guān)的數(shù)據(jù)和方法
        return this.defineClass(name, data, 0, data.length);
    }

    @Override
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException{
        // 1、找到ext classLoader，并首先委派給它加載，為什么？
        ClassLoader classLoader = getSystemClassLoader();
        while (classLoader.getParent() != null) {
            classLoader = classLoader.getParent();
        }
        Class<?> clazz = null;
        try {
            clazz = classLoader.loadClass(name);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // Ignore
        }
        if (clazz != null) {
            return clazz;
        }
        // 2、自己加載
        clazz = this.findClass(name);
        if (clazz != null) {
            return clazz;
        }
        // 3、自己加載不了，再調(diào)用父類loadClass，保持雙親委派模式
        return super.loadClass(name);
    }
}

測(cè)試加載Demo類：

package com.stefan.DailyTest.classLoader;

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 初始化TestClassLoader，并將加載TestClassLoader類的類加載器
        // 設(shè)置為TestClassLoader的parent
        TestClassLoader testClassLoader = new TestClassLoader(TestClassLoader.class.getClassLoader());
        System.out.println("TestClassLoader的父類加載器：" + testClassLoader.getParent());
        // 加載 Demo
        Class clazz = testClassLoader.loadClass("com.stefan.DailyTest.classLoader.Demo");
        System.out.println("Demo的類加載器：" + clazz.getClassLoader());
    }
}

//控制臺(tái)打印
TestClassLoader的父類加載器：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
Demo的類加載器：com.stefan.DailyTest.classLoader.TestClassLoader@78308db1

注意破壞雙親委派的位置，自定義類加載機(jī)制先委派給ExtClassLoader加載，ExtClassLoader再委派給BootstrapClassLoader，如果都加載不了，然后自定義類加載器加載，自定義類加載器加載不了才交給AppClassLoader。為什么不能直接讓自定義類加載器加載呢？

不能！雙親委派的破壞只能發(fā)生在AppClassLoader及其以下的加載委派順序，ExtClassLoader上面的雙親委派是不能破壞的！

因?yàn)槿魏晤惗际抢^承自超類java.lang.Object，而加載一個(gè)類時(shí)，也會(huì)加載繼承的類，如果該類中還引用了其他類，則按需加載，且類加載器都是加載當(dāng)前類的類加載器。

如Demo類只隱式繼承了Object，自定義類加載器TestClassLoader加載了Demo，也會(huì)加載Object。如果loadClass直接調(diào)用TestClassLoader的findClass會(huì)報(bào)錯(cuò)java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang。

為了安全，java是不允許除BootStrapClassLOader以外的類加載器加載官方java.目錄下的類庫(kù)的。在defineClass源碼中，最終會(huì)調(diào)用native方法defineClass1獲取Class對(duì)象，在這之前會(huì)檢查類的全限定名name是否是java.開頭。（如果想完全繞開java的類加載，需要自己實(shí)現(xiàn)defineClass，但是因?yàn)閭€(gè)人能力有限，沒有深入研究defineClass的重寫，并且一般情況也不會(huì)破壞ExtClassLoader以上的雙親委派，除非不用java了。）

通過自定義類加載器破壞雙親委派的案例在日常開發(fā)中非常常見，比如Tomcat為了實(shí)現(xiàn)web應(yīng)用間加載隔離，自定義了類加載器，每個(gè)Context代表一個(gè)web應(yīng)用，都有一個(gè)webappClassLoader。再如熱部署、熱加載的實(shí)現(xiàn)都是需要自定義類加載器的。破壞的位置都是跳過AppClassLoader。

四、Class.forName默認(rèn)使用的類加載器

1. forName(String name, boolean initialize,ClassLoader loader)可以指定classLoader。

2.不顯式傳classLoader就是默認(rèn)當(dāng)前類的類加載器：

public static Class<?> forName(String className)
                throws ClassNotFoundException {
      Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
      return forName0(className, true, ClassLoader.getClassLoader(caller), caller);
}

五、線程上下文類加載器

線程上下文類加載器其實(shí)是一種類加載器傳遞機(jī)制。可以通過java.lang.Thread#setContextClassLoader方法給一個(gè)線程設(shè)置上下文類加載器，在該線程后續(xù)執(zhí)行過程中就能把這個(gè)類加載器取（java.lang.Thread#getContextClassLoader）出來使用。

如果創(chuàng)建線程時(shí)未設(shè)置上下文類加載器，將會(huì)從父線程（parent = currentThread()）中獲取，如果在應(yīng)用程序的全局范圍內(nèi)都沒有設(shè)置過，就默認(rèn)是應(yīng)用程序類加載器。

線程上下文類加載器的出現(xiàn)就是為了方便破壞雙親委派：

一個(gè)典型的例子便是JNDI服務(wù)，JNDI現(xiàn)在已經(jīng)是Java的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，它的代碼由啟動(dòng)類加載器去加載（在JDK 1.3時(shí)放進(jìn)去的rt.jar），但JNDI的目的就是對(duì)資源進(jìn)行集中管理和查找，它需要調(diào)用由獨(dú)立廠商實(shí)現(xiàn)并部署在應(yīng)用程序的ClassPath下的JNDI接口提供者（SPI，Service Provider Interface）的代碼，但啟動(dòng)類加載器不可能去加載ClassPath下的類。

但是有了線程上下文類加載器就好辦了，JNDI服務(wù)使用線程上下文類加載器去加載所需要的SPI代碼，也就是父類加載器請(qǐng)求子類加載器去完成類加載的動(dòng)作，這種行為實(shí)際上就是打通了雙親委派模型的層次結(jié)構(gòu)來逆向使用類加載器，實(shí)際上已經(jīng)違背了雙親委派模型的一般性原則，但這也是無可奈何的事情。

Java中所有涉及SPI的加載動(dòng)作基本上都采用這種方式，例如JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等。

摘自《深入理解java虛擬機(jī)》周志明

六、要點(diǎn)回顧

1.java 的類加載，就是獲取.class文件的二進(jìn)制字節(jié)碼數(shù)組并加載到 JVM 的方法區(qū)，并在 JVM 的堆區(qū)建立一個(gè)用來封裝 java 類相關(guān)的數(shù)據(jù)和方法的java.lang.Class對(duì)象實(shí)例。

2.java默認(rèn)有的類加載器有三個(gè)，啟動(dòng)類加載器（BootstrapClassLoader），擴(kuò)展類加載器（ExtClassLoader），應(yīng)用程序類加載器（也叫系統(tǒng)類加載器）（AppClassLoader）。類加載器之間存在父子關(guān)系，這種關(guān)系不是繼承關(guān)系，是組合關(guān)系。如果parent=null，則它的父級(jí)就是啟動(dòng)類加載器。啟動(dòng)類加載器無法被java程序直接引用。

3.雙親委派就是類加載器之間的層級(jí)關(guān)系，加載類的過程是一個(gè)遞歸調(diào)用的過程，首先一層一層向上委托父類加載器加載，直到到達(dá)最頂層啟動(dòng)類加載器，啟動(dòng)類加載器無法加載時(shí)，再一層一層向下委托給子類加載器加載。

4.雙親委派的目的主要是為了保證java官方的類庫(kù)<JAVA_HOME>\lib和擴(kuò)展類庫(kù)<JAVA_HOME>\lib\ext的加載安全性，不會(huì)被開發(fā)者覆蓋。

5.破壞雙親委派有兩種方式：第一種，自定義類加載器，必須重寫findClass和loadClass；第二種是通過線程上下文類加載器的傳遞性，讓父類加載器中調(diào)用子類加載器的加載動(dòng)作。

參考：

• 《深入理解java虛擬機(jī)》周志明（書中對(duì)類加載的介紹非常詳盡，部分精簡(jiǎn)整理后引用。）
• 《深入拆解Tomcat & Jetty》Tomcat如何打破雙親委托機(jī)制？
• 李號(hào)雙《Tomcat內(nèi)核設(shè)計(jì)剖析》汪建，第十三章 公共與隔離的類加載

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