尚硅谷2020最新版宋红康JVM教程-中篇-第4章:再谈类的加载器-05-双亲委派模型

定义与本质

类加载器用来把类加载到Java虚拟机中。从JDK1.2版本开始，类的加载过程采用双亲委派机制，这种机制能更好地保证Java平台的安全。

定义

如果一个类加载器在接到加载类的请求时，它首先不会自己尝试去加载这个类，而是把这个请求任务委托给父类加载器去完成，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回。只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。

本质

规定了类加载的顺序是：引导类加载器先加载，若加载不到，由扩展类加载器加载，若还加载不到，才会由系统类加载器或自定义的类加载器进行加载。

优势与劣势

优势

• 避免类的重复加载，确保一个类的全局唯一性
  • Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。
• 保护程序安全，防止核心API被随意篡改

代码支持

• 双亲委派机制在java.lang.ClassLoader.loadClass(String，boolean)接口中体现。该接口的逻辑如下：
  • 先在当前加载器的缓存中查找有无目标类，如果有，直接返回。
  • 判断当前加载器的父加载器是否为空，如果不为空，则调用parent.loadClass(name，false)接口进行加载。
  • 反之，如果当前加载器的父类加载器为空，则调用findBootstrapClassorNull(name)接口，让引导类加载器进行加载。
  • 如果通过以上3条路径都没能成功加载，则调用findClass(name)接口进行加载。该接口最终会调用java.lang.ClassLoader接口的defineClass系列的native接口加载目标Java类。

双亲委派的模型就隐藏在这第2和第3步中。

举列

假设当前加载的是java.lang.Object这个类，很显然，该类属于JDK中核心得不能再核心的一个类，因此一定只能由引导类加载器进行加载。当]VM准备加载javaJang.Object时，JVM默认会使用系统类加载器去加载，按照上面4步加载的逻辑，在第1步从系统类的缓存中肯定查找不到该类，于是进入第2步。由于从系统类加载器的父加载器是扩展类加载器，于是扩展类加载器继续从第1步开始重复。由于扩展类加载器的缓存中也一定查找不到该类，因此进入第2步。扩展类的父加载器是null，因此系统调用findClass（String），最终通过引导类加载器进行加载。

思考

如果在自定义的类加载器中重写java.lang.ClassLoader.loadClass(String)或java.lang.ClassLoader.loadclass(String，boolean)方法，抹去其中的双亲委派机制，仅保留上面这4步中的第l步与第4步，那么是不是就能够加载核心类库了呢？
这也不行！因为JDK还为核心类库提供了一层保护机制。不管是自定义的类加载器，还是系统类加载器抑或扩展类加载器，最终都必须调用 java.lang.ClassLoader.defineclass(String，byte[]，int，int，ProtectionDomain)方法，而该方法会执行preDefineClass()接口，该接口中提供了对JDK核心类库的保护。

可以删除双亲委派机制，但核心仍受preDefineClass方法的保护

弊端

• 检查类是否加载的委托过程是单向的，这个方式虽然从结构上说比较清晰，使各个ClassLoader的职责非常明确，但是同时会带来一个问题，即顶层的ClassLoader无法访问底层的ClassLoader所加载的类。
• 通常情况下，启动类加载器中的类为系统核心类，包括一些重要的系统接口，而在应用类加载器中，为应用类。按照这种模式，应用类访问系统类自然是没有问题，但是系统类访问应用类就会出现问题。比如在系统类中提供了一个接口，该接口需要在应用类中得以实现，该接口还绑定一个工厂方法，用于创建该接口的实例，而接口和工厂方法都在启动类加载器中。这时，就会出现该工厂方法无法创建由应用类加载器加载的应用实例的问题。

结论

由于Java虚拟机规范并没有明确要求类加载器的加载机制一定要使用双亲委派模型，只是建议采用这种方式而已。比如在Tomcat中，类加载器所采用的加载机制就和传统的双亲委派模型有一定区别，当缺省的类加载器接收到一个类的加载任务时，首先会由它自行加载，当它加载失败时，才会将类的加载任务委派给它的超类加载器去执行，这同时也是Serylet规范推荐的一种做法。

破坏双亲委派机制(重点在2)

• 双亲委派模型并不是一个具有强制性约束的模型，而是Java设计者推荐给开发者们的类加载器实现方式。
• 在Java的世界中大部分的类加载器都遵循这个模型，但也有例外的情况，直到Java模块化出现为止，双亲委派模型主要出现过3次较大规模“被破坏”的情况。

破坏双亲委派机制1

双亲委派模型的第一次“被破坏”其实发生在双亲委派模型出现之前一—即JDKl.2面世以前的“远古”时代。
由于双亲委派模型在JDK 1.2之后才被引入，但是类加载器的概念和抽象类java.lang.ClassLoader则在Java的第一个版本中就已经存在，面对经存在的用户自定义类加载器的代码，Java设计者们引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协，为了兼容这些已有代码，无法再以技术手段避免loadClass()被子类覆盖的可能性，只能在JDK1.2之后的java.lang.ClassLoader中添加一个新的protected方法findClass()，并引导用户编写的类加载逻辑时尽可能去重写这个方法，而不是在loadClass()中编写代码。上节我们已经分析过loadClass()方法，双亲委派的具体逻辑就实现在这里面，按照loadClass()方法的逻辑，如果父类加载失败，会自动调用自己的findClass()方法来完成加载，这样既不影响用户按照自己的意愿去加载类，又可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的。

破坏双亲委派机制2

• 第二次破坏双亲委派机制：线程上下文类加载器
• 双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷导致的，双亲委派很好地解决了各个类加载器协作时基础类型的一致性问题（越基础的类由越上层的加载器进行加载），基础类型之所以被称为“基础”，是因为它们总是作为被用户代码继承、调用的API存在，但程序设计往往没有绝对不变的完美规则，如果有基础类型又要调用回用户的代码，那该怎么办呢？

这并非是不可能出现的事情，一个典型的例子便是JNDI服务，JNDI现在已经是Java的标准服务，它的代码由启动类加载器来完成加载（在JDK l.3时加入到rt.jar的），肯定属于Java中很基础的类型了。但JNDI存在的目的就是对资源进行查找和集中管理，它需要调用由其他厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI服务提供者接口（Service Provider Interface，SPI）的代码，现在问题来了，启动类加载器是绝不可能认识、加载这些代码的，那该怎么办？（SPI：在Java平台中，通常把核心类rt.jar中提供外部服务、可由应用层自行实现的接口称为SPI）

为了解决这个困境，Java的设计团队只好引入了一个不太优雅的设计：线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader（）方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

有了线程上下文类加载器，程序就可以做一些“舞弊”的事情了。JNDI服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需的SPI服务代码，**这是一种父类加载器去请求子类加载器完成类加载的行为，这种行为实际上是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器，已经违背了双亲委派模型的一般性原则，**但也是无可奈何的事情。Java中涉及SPI的加载基本上都采用这种方式来完成，例如JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等。不过，当SPI的服务提供者多于一个的时候，代码就只能根据具体提供者的类型来硬编码判断，为了消除这种极不优雅的实现方式，在JDK6时，JDK提供了java.util.ServiceLoader类，以META-INF/services中的配置信息，辅以责任链模式，这才算是给SPI的加载提供了一种相对合理的解决方案。

默认上下文加载器就是应用类加载器，这样以上下文加载器为中介，使得启动类加载器中的代码也可以访问应用类加载器中的类。

破坏双亲委派机制3

• 双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的。如：代码热替换(Hot Swap)、模块热部署(Hot Deployment)等
• IBM公司主导的JSR-291(即OSGiR4.2)实现模块化热部署的关键是它自定义的类加载器机制的实现，每一个程序模块(osGi中称为Bundle)都有一个自己的类加载器，当需要更换一个Bundle时，就把Bund1e连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。在oSGi环境下，类加载器不再双亲委派模型推荐的树状结构，而是进一步发展为更加复杂的网状结构。
• 当收到类加载请求时，OSGi将按照下面的顺序进行类搜索：
  • *将以java.开头的类，委派给父类加载器加载。
  • 否则，将委派列表名单内的类，委派给父类加载器加载。
  • 否则，将Import列表中的类，委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。
  • 否则，查找当前Bundle的ClassPath，使用自己的类加载器加载。
  • 否则，查找类是否在自己的Fragment Bundle中，如果在，则委派给Fragment Bundle的类加载器加载。
  • 否则，查找Dynamic Import列表的Bundle，委派给对应Bund1e的类加载器加载。
  • 否则，类查找失败。

说明：只有开头两点仍然符合双亲委派模型的原则，其余的类查找都是在平级的类加载器中进行的

• 小结：这里，我们使用了“被破坏”这个词来形容上述不符合双亲委派模型原则的行为，但这里“被破坏”并不一定是带有贬义的。只要有明确的目的和充分的理由，突破旧有原则无疑是一种创新。
• 正如：OSGi中的类加载器的设计不符合传统的双亲委派的类加载器架构，且业界对其为了实现热部署而带来的额外的高复杂度还存在不少争议，但对这方面有了解的技术人员基本还是能达成一个共识，认为OSGi中对类加载器的运用是值得学习的，完全弄懂了OSGi的实现，就算是掌握了类加载器的精粹。

热替换的实现

• 热替换是指在程序的运行过程中，不停止服，只通过替换程序文件来修改程序的行为。热替换的关键需求在于服务不能中断，修改必须立即表现正在运行的系统之中。基本上大部分脚本语言都是天生支持热替换的，比如：PHP，只要替换了PHP源文件，这种改动就会立即生效，而无需重启Web服务器。
• 但对Java来说，热替换并非天生就支持，如果一个类已经加载到系统中，通过修改类文件，并无法让系统再来加载并重定义这个类。因此，在Java中实现这一功能的一个可行的方法就是灵活运用ClassLoader。
• 注意：由不同ClassLoader加载的同名类属于不同的类型，不能相互转换和兼容。即两个不同的ClassLoader加载同一个类，在虚拟机内部，会认为这2个类是完全不同的。
• 根据这个特点，可以用来模拟热替换的实现，基本思路如下图所示：
  

代码举列

package T1;

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    private String rootDir;

    public MyClassLoader(String rootDir) {
        this.rootDir = rootDir;
    }

    // 编写findclass方法的逻辑
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        //获取类的cLass文件字节数组
        byte[] classData = getClassData(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            //直接生成cLass对象
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }


    // 编写获cLass文件并转换为字节码流的逻辑
    private byte[] getClassData(String className) {
        //读取类文件的字节
        String path = classNameToPath(className);
        try {
            InputStream ins = new FileInputStream(path);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len = 0;

            //读取类文件的字节码
            while ((len = ins.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, len);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;

    }

    // 类文件的完全路径
    private String classNameToPath(String className) {
        return rootDir + "\\" + className.replace('.', '\\') + ".class";
    }
}

package T1;

import java.lang.reflect.Method;

public class LoopRun {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            try {
                // 1 创建自定义类加载器的实列
                MyClassLoader loader = new MyClassLoader("D:\\apache-maven-3.6.3\\maven_repo\\jvm\\jvm1\\src\\main\\webapp\\java");

                // 2 加载指定的类
                Class<?> loaderClass = loader.findClass("T1.Demo1");

                // 3 创建运行时类的实列
                Object demo1 = loaderClass.newInstance();

                // 4 获取运行时的方法
                Method hot = loaderClass.getMethod("hot");

                // 5 调用指定的方法
                hot.invoke(demo1);


                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    System.out.println("目前loader的地址:" + loader);
                    hot.invoke(demo1);
                }

                Thread.sleep(5000);

            } catch (Exception e) {
                System.out.println("not found");
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException ex) {
                    ex.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

}

package T1;

public class Demo1 {
    public void hot(){
        System.out.println("old1------------>new2");
    }
}