【Java】深入了解双亲委派机制（常说的类加载机制）

前言：

ava虚拟机（JVM）的类加载机制是Java应用中不可或缺的一部分。本文将详细介绍JVM的双亲委派机制，并阐述各关键点。

一、什么是双亲委派机制？

双亲委派机制（Parent-Delegate Model）是Java类加载器中采用的一种类加载策略。该机制的核心思想是：如果一个类加载器收到了类加载请求，默认先将该请求委托给其父类加载器处理。只有当父级加载器无法加载该类时，才会尝试自行加载。

二、类加载器与层级关系

Java中的类加载器主要有如下三种：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）： 负责加载 %JAVA_HOME%/jre/lib 目录下的核心Java类库如 rt.jar、charsets.jar 等。

• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）： 负责加载 %JAVA_HOME%/jre/lib/ext 目录下的扩展类库。

• 应用类加载器（Application ClassLoader）： 负责加载用户类路径（ClassPath）下的应用程序类。

  这三种类加载器之间存在父子层级关系。启动类加载器是最高级别的加载器，没有父加载器；扩展类加载器的父加载器是启动类加载器；应用类加载器的父加载器是扩展类加载器。

    除了以上三个内置类加载器，用户还可以通过继承 java.lang.ClassLoader 类自定义类加载器，根据实际需求处理类加载请求。

  三：双亲委派机制作用及如何破环机制

  通过上述两块内容，我们对双亲委派机制、加载流程及层级有了一些了解，这时我们不妨抛出几个疑问。

  • 为什么需要双亲委派
  • 双亲委派机制有哪些优缺点
  • 如何打破这个机制
  • 有哪些工具选择了破坏机制。

    1. 为什么需要双亲委派

      1. 通过双亲委派机制，可以避免类的重复加载，当父加载器已经加载过某一个类时，子加载器就不会再重新加载这个类。

      2. 通过双亲委派机制，可以保证安全性。因为BootstrapClassLoader在加载的时候，只会加载JAVA_HOME中的jar包里面的类，如java.lang.String，那么这个类是不会被随意替换的。

    那么，就可以避免有人自定义一个有破坏功能的java.lang.String被加载。这样可以有效的防止核心Java API被篡改。

    这是在JDK1.8的java.lang.ClassLoader类中的源码，这个方法就是用于加载指定的类。

    实现双亲委派机制 的代码也都集中在这个方法之中：

    protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
            throws ClassNotFoundException{
            synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
                // First, check if the class has already been loaded
                Class c = findLoadedClass(name);
                if (c == null) {
                    long t0 = System.nanoTime();
                    try {
                        if (parent != null) {
                            c = parent.loadClass(name, false);
                        } else {
                            c = findBootstrapClassOrNull(name);
                        }
                    } catch (ClassNotFoundException e) {
                        // ClassNotFoundException thrown if class not found
                        // 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();
                        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();
                    }
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }
    

    通过以上代码得出结论：

    • 当类加载器接收到类加载的请求时，首先检查该类是否已经被当前类加载器加载；
    • 若该类未被加载过，当前类加载器会将加载请求委托给父类加载器去完成；
    • 若当前类加载器的父类加载器为null，会委托启动类加载器完成加载；
    • 若父类加载器无法完成类的加载，当前类加载器才会去尝试加载该类。

      2. 双亲委派机制的优缺点

      优点：

      1. 避免重复加载：由于类加载器直接从父类加载器那里加载类，避免了类的重复加载。
      2. 提高安全性：通过双亲委派模型，Java 标准库中的核心类库（如 java.lang.*）由启动类加载器加载，这样能保证这些核心类库不会被恶意代码篡改或替换，从而提高程序的安全性。
      3. 保持类加载的一致性：这种方式确保了同一个类的加载由同一个类加载器完成，从而在运行时保证了类型的唯一性和相同性。这也有助于减轻类加载器在处理相互关联的类时的复杂性。

      缺点：

      1. 灵活性降低：由于类加载的过程需要不断地委托给父类加载器，这种机制可能导致实际应用中类加载的灵活性降低。
      2. 增加了类加载时间：在类加载的过程中，需要不断地查询并委托父类加载器，这意味着类加载所需要的时间可能会增加。在类数量庞大或类加载器层次比较深的情况下，这种时间延迟可能会变得更加明显。

      3. 如何打破这个机制

      既然上述文章中我们已经知道了双亲委派的实现方式，那么如何打破这个机制呢。

      想要破坏这种机制，那么就需要自定义一个类加载器，继承ClassLoader类重写其中的loadClass方法，使其不进行双亲委派即可。

      写个示例

      import java.lang.reflect.Method;
      import java.nio.file.Files;
      import java.nio.file.Paths;
      public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
          
          // 自定义类加载器必须提供一个加载类文件的位置
          private String classesPath;
          public CustomClassLoader(String classesPath, ClassLoader parent) {
              super(parent);
              this.classesPath = classesPath;
          }
          @Override
          protected Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
              //首先,检查已加载的类
              Class loadedClass = findLoadedClass(name);
              if (loadedClass == null) {
                  // 如果已加载类中没有该类, 尝试用自定义的方法加载
                  try {
                      loadedClass = findClassInPath(name);
                  } catch (ClassNotFoundException e) {
                      // 如果自定义加载方法找不到类,则委托给父类加载器
                      loadedClass = super.loadClass(name, resolve);
                  }
              }
              if (resolve) {
                  resolveClass(loadedClass);
              }
              
              return loadedClass;
          }
          private Class findClassInPath(String className) throws ClassNotFoundException {
              try {
                  String filePath = className.replace('.', '/') + ".class";
                  byte[] classBytes = Files.readAllBytes(Paths.get(classesPath, filePath));
                  return defineClass(className, classBytes, 0, classBytes.length);
              } catch (Exception e) {
                  throw new ClassNotFoundException("Class not found in classes path: " + className, e);
              }
          }
          public static void main(String[] args) throws Exception {
              String pathToClasses = "/path/to/your/classes";
              String className = "com.example.SampleClass";
              String methodName = "sampleMethod";
              // 创建自定义类加载器实例，将类的加载权交给它
              CustomClassLoader customClassLoader = new CustomClassLoader(pathToClasses, CustomClassLoader.class.getClassLoader());
              // 使用自定义类加载器加载类
              Class customClass = customClassLoader.loadClass(className);
              // 创建类的实例并调用方法
              Object obj = customClass.newInstance();
              Method method = customClass.getDeclaredMethod(methodName);
              method.setAccessible(true);
              method.invoke(obj);
          }
      }
      

      上面的示例代码中，我们重写了 loadClass 方法，先尝试通过 findClassInPath 从指定的路径加载类，如果无法加载就委托给父类加载器。这样，我们就实现了打破双亲委派机制的自定义类加载器。

      以下是代码的详细解析：

      1. 自定义类加载器 CustomClassLoader 继承 Java ClassLoader 类。

      2. 在类加载器的构造方法中设置自定义类加载器的类路径 classesPath 和父加载器 parent。

      3. 重写 loadClass 方法。首先检查已加载的类，如果已加载则返回。否则尝试用自定义的方法在 classesPath 中加载类。如果自定义加载方法找不到类，则委托给父类加载器。

      4. 实现名为 findClassInPath 的自定义加载方法。这个方法使用类名 className 在 classesPath 指定的目录下查找对应的 .class 文件，然后将文件内容读取为字节数组并调用 defineClass 方法，将其转换为 Java 类的 Class 对象。如果类不存在或出现其他错误，会抛出 ClassNotFoundException 异常。

      5. 在 main 方法中，创建一个 CustomClassLoader 类的实例。将类的加载任务交给自定义类加载器，指定加载路径和要加载的类。

      6. 使用自定义类加载器加载目标类，创建类的实例，并调用指定方法。

      4. 有哪些工具选择了破坏机制。

      既然在上文中，我们已经清楚怎么打破双亲机制，那么有哪些工具选择了破坏机制呢？为什么？

      • OSGi（Open Service Gateway Initiative）：OSGi 是一个模块化系统和服务平台，提供了一个强大的类加载器模型。在 OSGi 中，每个模块都有一个独立的类加载器，可以按需加载来自不同模块的类。这有助于解决 JAR 地狱问题，提高模块化和动态更新能力。

      • Tomcat Web容器：Tomcat 的 Web 应用类加载器可以加载 Web 应用程序中的本地类库，从而使得每个 Web 应用程序可以使用各自的版本的类库。这些 Web 应用的类加载器都是${tomcat-home}/lib 中类库的子类加载器。

      • Java Agent: Java Agent 是一种基于 Java Instrumentation API 的技术，它可以在运行时修改已加载的类的字节码，从而实现类的热替换、AOP（面向切面编程）等功能。这种技术在诸如热部署、性能监控和分布式追踪等场景中有广泛应用。

      • JDK 中的 URLClassLoader：JDK 自带的 URLClassLoader 可以用来加载指定 URL 路径下的类。实际上，它实现了一种子类优先的策略，先尝试加载自身路径下的类，再委托给父类加载器，从而打破了双亲委派机制。

        这些工具和技术之所以要打破双亲委派机制，主要是出于以下原因：

        • 实现模块化和动态更新：例如 OSGi，通过独立的类加载器实现不同模块间解耦，并支持模块的动态卸载和更新。

        • 解决类库版本冲突（JAR地狱问题）：在复杂系统中，不同模块可能依赖不同版本的类库。为避免版本冲突，可使用独立的类加载器，使它们分别加载各自的类库版本。

        • 运行时修改类：Java Agent 可以在运行时修改类字节码，从而支持热替换、AOP 和性能监控等功能。

        • 支持 Web 应用程序的独立部署和更新：例如 Tomcat，可以为每个 Web 应用程序分配一个独立的类加载器，实现各自部署与更新。

          需要注意的是，打破双亲委派机制可能会带来类加载冲突、安全性和性能等问题，因此在实际应用中要谨慎使用。

          四：总结

          本文介绍了JVM的双亲委派机制，包括概念、类加载器层级关系、双亲委派流程及实例分析等方面的内容。双亲委派机制可以确保Java应用类型安全，同时避免类加载冲突。在某些特定场景下，我们可以通过自定义类加载器对类加载策略进行调整，以满足应用特性和性能需求。

          本文到此就结束了，多谢观看。