JVM系列--类加载器，双亲委派机制，打破双亲委派机制

类加载器

1 什么是类加载器

类加载器（ClassLoader）是Java虚拟机提供给应用程序去实现获取类和接口字节码数据的技术，类加载器只参与加载过程中的字节码获取并加载到内存这一部分。

类加载器会通过二进制流的方式获取到字节码文件的内容，接下来将获取到的数据交给Java虚拟机，虚拟机会在方法区和堆上生成对应的对象保存字节码信息。

2 类加载器的分类

类加载器分为两类，一类是Java代码中实现的，一类是Java虚拟机底层源码实现的。

虚拟机底层实现：源代码位于Java虚拟机的源码中，实现语言与虚拟机底层语言一致，比如Hotspot使用C++。主要目的是保证Java程序运行中基础类被正确地加载，比如java.lang.String，Java虚拟机需要确保其可靠性。
JDK中默认提供或者自定义：JDK中默认提供了多种处理不同渠道的类加载器，程序员也可以自己根据需求定制，使用Java语言。所有Java中实现的类加载器都需要继承ClassLoader这个抽象类。

类加载器的设计JDK8和8之后的版本差别较大，首先来看JDK8及之前的版本，这些版本中默认的类加载器有如下几种：

类加载器的详细信息可以通过Arthas的classloader命令查看：

classloader - 查看 classloader 的继承树，urls，类加载信息，使用 classloader 去 getResource

BootstrapClassLoader是启动类加载器，numberOfInstances是类加载器的数量只有1个，loadedCountTotal是加载类的数量1861个。
ExtClassLoader是扩展类加载器
AppClassLoader是应用程序类加载器

3 启动类加载器

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）是由Hotspot虚拟机提供的、使用C++编写的类加载器。

默认加载Java安装目录/jre/lib下的类文件，比如rt.jar，tools.jar，resources.jar等。

运行如下代码：

java 复制代码

/**
 * 启动程序类加载器案例
 */
public class BootstrapClassLoaderDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ClassLoader classLoader = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);

        System.in.read();
    }
}

这段代码通过String类获取到它的类加载器并且打印，结果是null。这是因为启动类加载器在JDK8中是由C++语言来编写的，在Java代码中去获取既不适合也不安全，所以才返回null

在Arthas中可以通过sc -d 类名的方式查看加载这个类的类加载器详细的信息，比如：

通过上图可以看到，java.lang.String类的类加载器是空的，Hash值也是null。

用户扩展基础jar包

如果用户想扩展一些比较基础的jar包，让启动类加载器加载，有两种途径：

**放入jre/lib下进行扩展。**不推荐，尽可能不要去更改JDK安装目录中的内容，会出现即时放进去由于文件名不匹配的问题也不会正常地被加载。
**使用参数进行扩展。**推荐，使用-Xbootclasspath/a:jar包目录/jar包名进行扩展，参数中的/a代表新增。

如下图，在IDEA配置中添加虚拟机参数，就可以加载D:/jvm/jar/classloader-test.jar这个jar包了。

4 扩展类加载器和应用程序类加载器

扩展类加载器和应用程序类加载器都是JDK中提供的、使用Java编写的类加载器。
它们的源码都位于sun.misc.Launcher中，是一个静态内部类。继承自URLClassLoader。具备通过目录或者指定jar包将字节码文件加载到内存中。

继承关系图如下

ClassLoader类定义了具体的行为模式，简单来说就是先从本地或者网络获得字节码信息，然后调用虚拟机底层的方法创建方法区和堆上的对象。这样的好处就是让子类只需要去实现如何获取字节码信息这部分代码。
SecureClassLoader提供了证书机制，提升了安全性。
URLClassLoader提供了根据URL获取目录下或者指定jar包进行加载，获取字节码的数据。
扩展类加载器和应用程序类加载器继承自URLClassLoader，获得了上述的三种能力。

扩展类加载器

扩展类加载器（Extension Class Loader）是JDK中提供的、使用Java编写的类加载器。默认加载Java安装目录/jre/lib/ext下的类文件。

如下代码会打印ScriptEnvironment类的类加载器。ScriptEnvironment是nashorn框架中用来运行javascript语言代码的环境类，他位于nashorn.jar包中被扩展类加载器加载

java 复制代码

/**
 * 扩展类加载器
 */
public class ExtClassLoaderDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ClassLoader classLoader = ScriptEnvironment.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);
    }
}

打印结果如下：

通过扩展类加载器去加载用户jar包：

放入/jre/lib/ext下进行扩展。不推荐，尽可能不要去更改JDK安装目录中的内容。
使用参数进行扩展使用参数进行扩展。推荐，使用-Djava.ext.dirs=jar包目录进行扩展,这种方式会覆盖掉原始目录，可以用;(windows):(macos/linux)追加上原始目录

如下图中：

使用引号将整个地址包裹起来，这样路径中即便是有空格也不需要额外处理。路径中要包含原来ext文件夹，同时在最后加上扩展的路径。

应用程序加载器

应用程序类加载器会加载classpath下的类文件，默认加载的是项目中的类以及通过maven引入的第三方jar包中的类。

如下案例中，打印出Student和FileUtils的类加载器：

java 复制代码

/**
 * 应用程序类加载器案例
 */
public class AppClassLoaderDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        //当前项目中创建的Student类
        Student student = new Student();
        ClassLoader classLoader = Student.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);

        //maven依赖中包含的类
        ClassLoader classLoader1 = FileUtils.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);

        Thread.sleep(1000);
        System.in.read();

    }
}

输出结果如下

这两个类均由应用程序类加载器加载。

类加载器的加载路径可以通过classloader --c hash值查看：

双亲委派机制

双亲委派机制指的是：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。

详细流程：

每个类加载器都有一个父类加载器。父类加载器的关系如下，启动类加载器没有父类加载器：

在类加载的过程中，每个类加载器都会先检查是否已经加载了该类，如果已经加载则直接返回，否则会将加载请求委派给父类加载器。
案例1：

比如com.itheima.my.A假设在启动类加载器的加载目录中，而应用程序类加载器接到了加载类的任务。

1、应用程序类加载器首先判断自己加载过没有，没有加载过就交给父类加载器 - 扩展类加载器。

2、扩展类加载器也没加载过，交给他的父类加载器 - 启动类加载器。

3、启动类加载器发现已经加载过，直接返回。

案例2：

B类在扩展类加载器加载路径中，同样应用程序类加载器接到了加载任务，按照案例1中的方式一层一层向上查找，发现都没有加载过。那么启动类加载器会首先尝试加载。它发现这类不在它的加载目录中，向下传递给扩展类加载器。

扩展类加载器发现这个类在它加载路径中，加载成功并返回。

如果第二次再接收到加载任务，同样地向上查找。扩展类加载器发现已经加载过，就可以返回了。

双亲委派机制的作用

1.保证类加载的安全性。通过双亲委派机制避免恶意代码替换JDK中的核心类库，比如java.lang.String，确保核心类库的完整性和安全性。

2.避免重复加载。双亲委派机制可以避免同一个类被多次加载。

如何指定加载类的类加载器？

在Java中如何使用代码的方式去主动加载一个类呢？

方式1：使用Class.forName方法，使用当前类的类加载器去加载指定的类。

方式2：获取到类加载器，通过类加载器的loadClass方法指定某个类加载器加载。

例如：

三个面试题

1、如果一个类重复出现在三个类加载器的加载位置，应该由谁来加载？

启动类加载器加载，根据双亲委派机制，它的优先级是最高的

2、String类能覆盖吗，在自己的项目中去创建一个java.lang.String类，会被加载吗？

不能，会返回启动类加载器加载在rt.jar包中的String类。

3、类的双亲委派机制是什么？

当一个类加载器去加载某个类的时候，会自底向上查找是否加载过，如果加载过就直接返回，如果一直到最顶层的类加载器都没有加载，再由顶向下进行加载。
应用程序类加载器的父类加载器是扩展类加载器，扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。
双亲委派机制的好处有两点：第一是避免恶意代码替换JDK中的核心类库，比如java.lang.String，确保核心类库的完整性和安全性。第二是避免一个类重复地被加载。

打破双亲委派机制

打破双亲委派机制历史上有三种方式，但本质上只有第一种算是真正的打破了双亲委派机制：

自定义类加载器并且重写loadClass方法。Tomcat通过这种方式实现应用之间类隔离，《面试篇》中分享它的做法。
线程上下文类加载器。利用上下文类加载器加载类，比如JDBC和JNDI等。
Osgi框架的类加载器。历史上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，目前很少使用。

自定义类加载器

一个Tomcat程序中是可以运行多个Web应用的，如果这两个应用中出现了相同限定名的类，比如Servlet类，Tomcat要保证这两个类都能加载并且它们应该是不同的类。如果不打破双亲委派机制，当应用类加载器加载Web应用1中的MyServlet之后，Web应用2中相同限定名的MyServlet类就无法被加载了。

Tomcat使用了自定义类加载器来实现应用之间类的隔离。每一个应用会有一个独立的类加载器加载对应的类。

那么自定义加载器是如何能做到的呢？首先我们需要先了解，双亲委派机制的代码到底在哪里，接下来只需要把这段代码消除即可。

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。

java 复制代码

public Class<?> loadClass(String name)
类加载的入口，提供了双亲委派机制。内部会调用findClass   重要

protected Class<?> findClass(String name)
由类加载器子类实现,获取二进制数据调用defineClass ，比如URLClassLoader会根据文件路径去获取类文件中的二进制数据。重要

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
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

protected final void resolveClass(Class<?> c)
执行类生命周期中的连接阶段

1、入口方法：

2、再进入看下：

如果查找都失败，进入加载阶段，首先会由启动类加载器加载，这段代码在findBootstrapClassOrNull中。如果失败会抛出异常，接下来执行下面这段代码：

父类加载器加载失败就会抛出异常，回到子类加载器的这段代码，这样就实现了加载并向下传递。

3、最后根据传入的参数判断是否进入连接阶段：

接下来实现打破双亲委派机制

java 复制代码

package classloader.broken;//package com.itheima.jvm.chapter02.classloader.broken;

import org.apache.commons.io.IOUtils;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.ProtectionDomain;
import java.util.regex.Matcher;

/**
 * 打破双亲委派机制 - 自定义类加载器
 */

public class BreakClassLoader1 extends ClassLoader {

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

    //设置加载目录
    public void setBasePath(String basePath) {
        this.basePath = basePath;
    }

    //使用commons io 从指定目录下加载文件
    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;
        }
    }

    //重写loadClass方法
    @Override
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        //如果是java包下，还是走双亲委派机制
        if(name.startsWith("java.")){
            return super.loadClass(name);
        }
        //从磁盘中指定目录下加载
        byte[] data = loadClassData(name);
        //调用虚拟机底层方法，方法区和堆区创建对象
        return defineClass(name, data, 0, data.length);
    }

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException {
        //第一个自定义类加载器对象
        BreakClassLoader1 classLoader1 = new BreakClassLoader1();
        classLoader1.setBasePath("D:\\lib\\");

        Class<?> clazz1 = classLoader1.loadClass("com.itheima.my.A");
         //第二个自定义类加载器对象
        BreakClassLoader1 classLoader2 = new BreakClassLoader1();
        classLoader2.setBasePath("D:\\lib\\");

        Class<?> clazz2 = classLoader2.loadClass("com.itheima.my.A");

        System.out.println(clazz1 == clazz2);

        Thread.currentThread().setContextClassLoader(classLoader1);

        System.out.println(Thread.currentThread().getContextClassLoader());

        System.in.read();
     }
}

自定义类加载器父类怎么是AppClassLoader呢？

默认情况下自定义类加载器的父类加载器是应用程序类加载器：

以Jdk8为例，ClassLoader类中提供了构造方法设置parent的内容：

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。

两个自定义类加载器加载相同限定名的类，不会冲突吗？

不会冲突，在同一个Java虚拟机中，只有相同类加载器+相同的类限定名才会被认为是同一个类。

在Arthas中使用sc --d 类名的方式查看具体的情况。

如下代码：

java 复制代码

 public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException {
        //第一个自定义类加载器对象
        BreakClassLoader1 classLoader1 = new BreakClassLoader1();
        classLoader1.setBasePath("D:\\lib\\");

        Class<?> clazz1 = classLoader1.loadClass("com.itheima.my.A");
         //第二个自定义类加载器对象
        BreakClassLoader1 classLoader2 = new BreakClassLoader1();
        classLoader2.setBasePath("D:\\lib\\");

        Class<?> clazz2 = classLoader2.loadClass("com.itheima.my.A");

        System.out.println(clazz1 == clazz2);
     }

打印的应该是false，因为两个类加载器不同，尽管加载的是同一个类名，最终Class对象也不是相同的。

通过Arthas看：

也会出现两个不同的A类。

线程上下文类加载器

利用上下文类加载器加载类，比如JDBC和JNDI等。

我们来看下JDBC的案例：

1、JDBC中使用了DriverManager来管理项目中引入的不同数据库的驱动，比如mysql驱动、oracle驱动。

java 复制代码

package classloader.broken;//package com.itheima.jvm.chapter02.classloader.broken;

import com.mysql.cj.jdbc.Driver;

import java.sql.*;

/**
 * 打破双亲委派机制 - JDBC案例
 */

public class JDBCExample {
    // JDBC driver name and database URL
    static final String JDBC_DRIVER = "com.mysql.cj.jdbc.Driver";
    static final String DB_URL = "jdbc:mysql:///bank1";

    //  Database credentials
    static final String USER = "root";
    static final String PASS = "123456";

    public static void main(String[] args) {
        Connection conn = null;
        Statement stmt = null;
        try {
            conn = DriverManager.getConnection(DB_URL, USER, PASS);
            stmt = conn.createStatement();
            String sql;
            sql = "SELECT id, account_name FROM account_info";
            ResultSet rs = stmt.executeQuery(sql);

            //STEP 4: Extract data from result set
            while (rs.next()) {
                //Retrieve by column name
                int id = rs.getInt("id");
                String name = rs.getString("account_name");

                //Display values
                System.out.print("ID: " + id);
                System.out.print(", Name: " + name + "\n");
            }
            //STEP 5: Clean-up environment
            rs.close();
            stmt.close();
            conn.close();
        } catch (SQLException se) {
            //Handle errors for JDBC
            se.printStackTrace();
        } catch (Exception e) {
            //Handle errors for Class.forName
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //finally block used to close resources
            try {
                if (stmt != null)
                    stmt.close();
            } catch (SQLException se2) {
            }// nothing we can do
            try {
                if (conn != null)
                    conn.close();
            } catch (SQLException se) {
                se.printStackTrace();
            }//end finally try
        }//end try
    }//end main
}//end FirstExample