JVM双亲委派机制与Tomcat

双亲委派模型与JVM 类加载

讲个故事:

以前,爱捣鼓的小明突然灵机一动,写出了下面的代码

package java.lang;

/**
 * @author dengchengchao
 * @date 2019/2/26 19:20
 */
public class String {
    //...复制真正String的其他方法

    public boolean equals(Object anObject) {
        sendEmail(xxx);
        return equalsReal(anObject);
    }

    //...
}

这样,只要引用这个包的人,小明能随时收到他的系统的相关信息,这简直是个天才的注意。然而实施的时候却发现,JVM并没有加载这个类。

这是为什么呢?

小明能想到的事情,JVM设计者也肯定能想到。

双亲委派模型

上述故事纯属瞎编,不过,这确实是以前JVM存在的一个问题,这几天看Tomcat源代码的时候,发现频繁出现ClassLoader为什么要用这个东西呢?

想要解答这个问题,得先了解一个定义:双亲委派模型。

这个词第一次看见是在《深入理解JVM》中,目的也是为了解决上面所提出来的问题。

在JVM中,存在三种类型的类加载器:

  • 启动类(Bootstrap)加载器:用于加载本地(Navicat)代码类的加载器,它负责装入%JAVA_HOME%/lib下面的类。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节,开发者无法直接获取到启动类加载器的引用,所以不允许直接通过引用进行操作。
  • 标准扩展(Extension)类加载器:ExtClassLoader实现,负责加载%JAVA_HOME/lib/ext%或者系统变量java.ext.dir(可使用System.out.println("java.ext.dir")查看)指定的类加载到内存中
  • 系统(System)类加载器:AppClassLoader实现,负责加载系统类(环境变量%CLASSPATH%)指定,默认为当前路径的类加载到内存中。

除去以上三种外,还有一种比较特殊的线程上下文类加载器。存在于Thread类中,一般使用方式为new Thread().getContextClassLoader()

可以看出来,三种类型的加载器负责不同的模块的加载。那怎么才能保证我所使用的String就是JDK里面的String呢?这就是双亲委派模型的功能了:

上面三种类加载器中,他们之间的关系为:

image

也就是Bootstrap ClassLoader作为Extension ClassLoader的父类,而Extension ClassLoader作为Application ClassLoader的父类,Application ClassLoader是作为User ClassLoader的父类的。

而双亲委派机制规定:当某个特定的类加载在接收到类加载的请求的时候,首先需要将加载任务委托给父类加载器,依次递归到顶层后,如果最高层父类能够找到需要加载的类,则成功返回,若父类无法找到相关的类,则依次传递给子类。

补充:

  • 如果A类引用了B,则JVM将使用加载类A的加载器加载类B
  • 类加载器存在缓存,如果某个加载器以前成功加载过某个类后,再次接受到此类加载请求则直接返回,不再向上传递加载请求
  • 可以通过ClassLoader.loadClass()Class.ForName(xxx,true,classLoader)指定某个加载器加载类
  • 类类型由加载它的加载器和这个类本身共同决定,如果类加载器不同,类名相同,instanceof依然会返回false
  • 父加载器无法加载子加载器能够加载的类

可以看到,通过双亲委派机制,能够保证使用的类的安全性,并且可以避免类重名的情况下JVM存在多个相同的类名相同,字节码不同的类。

回到刚开始讲的故事,虽然小明自定义了String,包名也叫java.lang,但是当用户使用String的时候,会由普通的Application ClassLoader加载java.lang.String,此时通过双亲委派,类加载请求会上传给Application ClassLoader的父类,直到传递给Bootstrap ClassLoader,而此时,Bootstrap ClassLoader将在%JAVA_HOME%/lib中寻找java.lang.String而此时正好能够找到java.lang.String,加载成功,返回。因此小明自己写的java.lang.String并没有被加载。

可以看见,如果真的想要实现小明的计划,只能将小明自己编写的java.lang.String这个class文件替换到%JAVA_HOME%/lib/rt.jar 中的String.class


自定义ClassLoader

到这里,估计能明白为什么需要双亲委派模型了,而某些时候,我们可以看见许多框架都自定义了ClassLoader,通过自定义ClassLoader,我们可以做很多好玩的事情,比如:设计一个从指定路径动态加载类的类加载器:

public class DiskClassLoader extends  ClassLoader {

    private String libPath;

    public DiskClassLoader(String path){
        libPath=path;
    }


    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try(FileInputStream fileInputStream=new FileInputStream(new File(libPath,getFileName(name)));
            BufferedInputStream bufferedInputStream=new BufferedInputStream(fileInputStream);
            ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream=new ByteArrayOutputStream()){

                    for (int len=0;(len=bufferedInputStream.read())!=-1;){
                    byteArrayOutputStream.write(len);
                }

            byte[] data=byteArrayOutputStream.toByteArray();
            return defineClass(name,data,0,data.length);
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
        return super.findClass(name);
    }

    private String getFileName(String name) {
        int index = name.lastIndexOf('.');
        if(index == -1){
            return name+".class";
        }else{
            return name.substring(index+1)+".class";
        }
    }
}

上面是一个简单的例子,可以看见想要自定义ClassLoader,只需要继承ClassLoader,然后覆盖findClass()方法即可,其中findClass()是负责获取指定类的字节码的,在获取到字节码后,需要手动调用defineClass()加载类。

ClassLoader类中,我们能找到loadClass的源代码:

 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)       {

            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {              
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }         

                if (c == null) {

                    c = findClass(name);                 
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;   
    }

在删减掉一些模板代码后,我们可以看到loadClass()方法就是实现双亲委派的主要代码:首先查看类是否有缓存,如果没有,就调用父类的loadClass方法,让父类去加载,如果父类加载失败,则自己加载,如果自己加载失败,那就返回null,注意:并没有再找自己的子类去寻找类,也就是在哪里发起的加载,就在哪里结束。

这里可以看到,loadClass()方法并没有被标记为final的,也就是我们依然可以重载它的loadClass()方法,破坏原本的委派双亲模型。

破坏双亲委派机制

有些时候,双亲委派机制也会遇到一些问题,在介绍双亲委派机制的时候,我列举了一些补充。而在一些JDK中,存在一些基础API他们的加载由比较上层的加载器负责,这些API只是一些简单的接口,而具体的实现可能会由其他用户自己实现,这个时候就存在一个问题,如果这些基础的API需要调用/加载用户的代码的时候,会发现由于父类无法找到子类所能加载的类的原因,调用失败。

最典型的例子便是JNDI服务,JNDI服务是在JDK1.3的时候放入rt.jar中,而rt.jarBootstrap ClassLoader加载,JNDI的功能是对资源进行集中管理和查找,它需要调用独立厂商实现部部署在应用程序的classpath下的JNDI接口提供者(SPI, Service Provider Interface)的代码,但启动类加载器不可能“认识”之些代码,该怎么办?

这就需要用到最开始讲的特殊的加载器:上下文类加载器

上下文类加载器的使用方式为:Thread.currentThread().getContextClassLoader()

上下文类加载器是什么意思呢?可以看源码,Thread初始化是通过本地方法currentThread();初始化的,而classLoader也正是通过currentThread初始化,currentThread指的是当前正在运行的线程。

而默认情况下,启动Launcher后,Launcher会将当前线程的上下文加载器设置为Application ClassLoader

public Launcher() {
    ...
    try {
        this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
    } catch (IOException var9) {
        throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
    }
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
    ...
}

因此,上下文类加载器默认就是系统加载器,通过上下文加载器,更高级别的加载器便可以调用系统加载器加载一个类。

Tomcat 与类加载器

Tomcat作为一个Web容器,会包含各种Web应用程序,而为了使各个应用程序不互相干扰,至少需要达到以下要求:

  • 部署在同一个Web容器上的两个Web应用程序所使用的Java类库可以实现相互隔离
  • 部署在同一个Web容器上的两个Web应用程序所使用的Java类库可以相互共享
  • Web容器需要保证自身的安全不受Web应用程序所影响
  • 只是JSP的容器,需要支持热部署功能

因为这些需求,所以在Tomcat中,类的加载不能使用简单的ClassLoader来加载,而是需要自定义分级的ClassLoader

在Tomcat中,定义了3组目录结构/common/*,/server/*/shared/*可以存放Java类库,另外还有Web应用程序自身的结构:/WEB-INF/*,而这几级目录结构分别对应了不同的加载器

  • common:类库可以被Tomcat和所有Web应用程序共同使用
  • server:类库可以被Tomcat使用,对其他Web程序不可见
  • shared:类库可以被所有的Web应用程序共同使用,但对Tomcat不可见
  • WEB-INF:类库仅仅能被自身Web应用程序使用

因此,需要支持以上结构,可以通过自定义遵循双亲委派模型的ClassLoader来完成。

image

参考链接:

一看你就懂,超详细java中的ClassLoader详解

Java类加载机制与Tomcat类加载器架构

【JVM】浅谈双亲委派和破坏双亲委派

关于Java类加载双亲委派机制的思考

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