JVM工作原理与实战(十二)：打破双亲委派机制-自定义类加载器

橘子青衫2024-03-17 9:43

前言

JVM作为Java程序的运行环境，其负责解释和执行字节码，管理内存，确保安全，支持多线程和提供性能监控工具，以及确保程序的跨平台运行。本文主要介绍了打破双亲委派机制的方法、自定义类加载器等内容。

一、打破双亲委派机制的方法

双亲委派机制的核心思想是：当一个类加载器接收到加载类的请求时，它首先不会自己去尝试加载，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一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（Bootstrap ClassLoader）中去，只有当父类加载器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。

当一个类加载器接收到加载类的任务时，会自底向上查找是否加载过再由顶向下进行加载。

​

双亲委派机制是Java类加载器的重要特性，但在某些情况下，可能需要打破这种机制。以下是打破双亲委派机制的方法：

  • 自定义类加载器：在Java中，可以通过继承ClassLoader并重写其loadClass方法来创建自定义类加载器。通过这种方式，可以打破双亲委派机制，实现类的隔离。例如，在Tomcat中，每个Web应用都有自己的类加载器，从而实现了应用之间的类隔离。当两个Web应用中有相同限定名的类时，如Servlet类，Tomcat通过自定义类加载器保证它们是不同的类。
  • 线程上下文类加载器：在Java中，每个线程都有一个关联的上下文类加载器。通过设置线程的上下文类加载器，可以实现类的加载。例如，JDBC和JNDI等就是利用线程上下文类加载器来加载类的。
  • Osgi框架的类加载器：Osgi框架实现了一套新的类加载器机制，允许同级之间委托进行类的加载。在Osgi中，每个Bundle都有自己的类加载器，当需要加载类时，会先在自己的存储空间中查找，如果找不到，则委托给父级Bundle的类加载器进行查找。这种机制打破了传统的双亲委派模型。

二、自定义类加载器

1.Tomcat自定义类加载器案例

在Tomcat环境中，一个显著的特点是其能够同时运行多个Web应用。这就引出了一个重要的问题：如果两个应用中存在相同限定名的类，例如Servlet类，那么Tomcat如何保证这两个类能够被正确加载，并且它们实际上是不同的类。

在传统的类加载机制中，双亲委派机制（Parent Delegation Mechanism）是核心。这个机制规定，当一个类加载器收到类加载请求时，它首先不会自己去加载，而是把这个请求委派给父类加载器去执行。这就形成了一个从上到下的"类加载委托层次"。然而，在多Web应用环境下，这种机制可能会导致类加载的问题。比如，当Web应用1中的MyServlet已经被其应用类加载器加载后，由于双亲委派机制的存在，Web应用2中相同限定名的MyServlet类可能就无法被其应用类加载器加载。

​

为了解决这个问题，Tomcat采用了一种自定义类加载器的策略。每个Web应用都有其独立的类加载器，负责加载该应用中的类。这样，即使两个应用中有相同名称的类，由于它们是由不同的类加载器加载的，因此它们实际上是不同的类。

​

在同一个Java虚拟机中也同理，两个自定义类加载器加载相同限定名的类不会冲突，只有相同类加载器和相同的类限定名才会被认为是同一个类。

2.自定义类加载器详解

ClassLoader中包含了4个核心方法，双亲委派机制的核心代码就位于loadClass方法中。

  • loadClass()是类加载的入口，提供了双亲委派机制，内部会调用findClass：
vbnet 复制代码 
public Class<?> loadClass(String var1)

loadClass()源码：

kotlin 复制代码 
    public Class<?> loadClass(String var1) throws ClassNotFoundException {
        return this.loadClass(var1, false);
    }

    protected Class<?> loadClass(String var1, boolean var2) throws ClassNotFoundException {
        synchronized(this.getClassLoadingLock(var1)) {
            Class var4 = this.findLoadedClass(var1);
            if (var4 == null) {
                long var5 = System.nanoTime();

                try {
                    if (this.parent != null) {
                        var4 = this.parent.loadClass(var1, false);
                    } else {
                        var4 = this.findBootstrapClassOrNull(var1);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException var10) {
                }

                if (var4 == null) {
                    long var7 = System.nanoTime();
                    var4 = this.findClass(var1);
                    PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(var7 - var5);
                    PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(var7);
                    PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }

            if (var2) {
                this.resolveClass(var4);
            }

            return var4;
        }
    }
  • findClass()由类加载器的子类实现，其核心功能是获取二进制数据并调用defineClass ，比如URLClassLoader会根据文件路径去获取类文件中的二进制数据。
vbnet 复制代码 
protected Class<?> findClass(String var1)
  • defineClass()会做一些类名的校验，然后调用虚拟机底层的方法将字节码信息加载到虚拟机内存中。
arduino 复制代码 
protected final Class<?> defineClass(String var1, byte[] var2, int var3, int var4)
  • resolveClass()会执行类生命周期中的连接阶段。
java 复制代码 
protected final void resolveClass(Class<?> var1)

loadClass() 核心代码解析：

parent等于null说明父类加载器是启动类加载器，直接调用findBootstrapClassOrNull，否则调用父类加载器的加载方法。

kotlin 复制代码 
                    if (this.parent != null) {
                        var4 = this.parent.loadClass(var1, false);
                    } else {
                        var4 = this.findBootstrapClassOrNull(var1);
                    }

父类加载器无法找到所需的类时，当前类加载器将承担起加载的责任。

ini 复制代码 
                if (var4 == null) {
                    ...
                    var4 = this.findClass(var1);
                    ...
                }

在实际开发中，为了正确地实现一个自定义类加载器，并确保不破坏双亲委派机制，应当重写findClass()方法。这样的做法确保了类加载请求的正确委派，同时允许开发者根据特定需求定制类加载的行为。

3.案例解析

自定义Test类：

typescript 复制代码 
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("自定义Test类");
    }
}

将Test类放到相应的目录下：

​

自定义类加载器：

java 复制代码 
public class BreakClassLoader extends ClassLoader {

    private String basePath;
    private final static String FILE_EXT = ".class";

    public void setBasePath(String basePath) {
        this.basePath = basePath;
    }

    private byte[] loadClassData(String name)  {
        try {
            String tempName = name.replaceAll("\.", Matcher.quoteReplacement(File.separator));
            FileInputStream fis = new FileInputStream(basePath + tempName + FILE_EXT);
            try {
                return IOUtils.toByteArray(fis);
            } finally {
                IOUtils.closeQuietly(fis);
            }

        } catch (Exception e) {
            System.out.println("自定义类加载器加载失败，错误原因：" + e.getMessage());
            return null;
        }
    }

    @Override
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        if(name.startsWith("java.")){
            return super.loadClass(name);
        }
        byte[] data = loadClassData(name);
        return defineClass(name, data, 0, data.length);
    }

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException {
        BreakClassLoader classLoader1 = new BreakClassLoader();
        classLoader1.setBasePath("D:\Test\com\rye\");

        Class<?> aClass = classLoader1.loadClass("Test");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
     }
}

运行结果（获取自定义类加载器）：

​

需要注意的是加载的类名不能以java.开头，源码解析：

typescript 复制代码 
    private ProtectionDomain preDefineClass(String var1, ProtectionDomain var2) {
        if (!this.checkName(var1)) {
            throw new NoClassDefFoundError("IllegalName: " + var1);
        } else if (var1 != null && var1.startsWith("java.")) {
            throw new SecurityException("Prohibited package name: " + var1.substring(0, var1.lastIndexOf(46)));
        } else {
            if (var2 == null) {
                var2 = this.defaultDomain;
            }

            if (var1 != null) {
                this.checkCerts(var1, var2.getCodeSource());
            }

            return var2;
        }
    }

​

获取自定义类加载器的父类加载器：

java 复制代码 
public class BreakClassLoader extends ClassLoader {

    private String basePath;
    private final static String FILE_EXT = ".class";

    public void setBasePath(String basePath) {
        this.basePath = basePath;
    }

    private byte[] loadClassData(String name)  {
        try {
            String tempName = name.replaceAll("\.", Matcher.quoteReplacement(File.separator));
            FileInputStream fis = new FileInputStream(basePath + tempName + FILE_EXT);
            try {
                return IOUtils.toByteArray(fis);
            } finally {
                IOUtils.closeQuietly(fis);
            }

        } catch (Exception e) {
            System.out.println("自定义类加载器加载失败，错误原因：" + e.getMessage());
            return null;
        }
    }

    @Override
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        if(name.startsWith("java.")){
            return super.loadClass(name);
        }
        byte[] data = loadClassData(name);
        return defineClass(name, data, 0, data.length);
    }

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException {
        BreakClassLoader classLoader1 = new BreakClassLoader();
//        classLoader1.setBasePath("D:\Test\com\rye\");
//
//        Class<?> aClass = classLoader1.loadClass("Test");
//        System.out.println(aClass.getClassLoader());
        ClassLoader parent = classLoader1.getParent();
        System.out.println(parent);
    }
}

运行结果：

​

解析：

​

ClassLoader类中提供了构造方法设置parent的内容（JDK8中）：

ini 复制代码 
    private ClassLoader(Void var1, ClassLoader var2) {
        this.classes = new Vector();
        this.defaultDomain = new ProtectionDomain(new CodeSource((URL)null, (Certificate[])null), (PermissionCollection)null, this, (Principal[])null);
        this.packages = new HashMap();
        this.nativeLibraries = new Vector();
        this.defaultAssertionStatus = false;
        this.packageAssertionStatus = null;
        this.classAssertionStatus = null;
        this.parent = var2;
        if (ClassLoader.ParallelLoaders.isRegistered(this.getClass())) {
            this.parallelLockMap = new ConcurrentHashMap();
            this.package2certs = new ConcurrentHashMap();
            this.domains = Collections.synchronizedSet(new HashSet());
            this.assertionLock = new Object();
        } else {
            this.parallelLockMap = null;
            this.package2certs = new Hashtable();
            this.domains = new HashSet();
            this.assertionLock = this;
        }

    }

这个构造方法由另外一个构造方法调用，其中父类加载器由getSystemClassLoader方法设置，该方法返回的是AppClassLoader。

scss 复制代码 
    protected ClassLoader() {
        this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
    }

验证getSystemClassLoader方法返回的是AppClassLoader：

typescript 复制代码 
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(getSystemClassLoader());
    }

运行结果：

​

总结

JVM是Java程序的运行环境，负责字节码解释、内存管理、安全保障、多线程支持、性能监控和跨平台运行。本文主要介绍了打破双亲委派机制的方法、自定义类加载器等内容，希望对大家有所帮助。

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