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Java - ClassLoader双亲委派机制

Java - ClassLoader双亲委派机制

前言

“类加载体系”及ClassLoader双亲委派机制。java程序中的 .java文件编译完会生成 .class文件,而 .class文件就是通过被称为类加载器的ClassLoader加载的,而ClassLoder在加载过程中会使用“双亲委派机制”来加载 .class文件,先上图:

看着图从上往下介绍:

  1. BootStrapClassLoader:启动类加载器,该ClassLoader是jvm在启动时创建的,用于加载 $JAVA_HOME/jre/lib下面的类库(或者通过参数-Xbootclasspath指定)。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节,开发者无法直接获取到启动类加载器的引用,所以不能直接通过引用进行操作。
  2. ExtClassLoader:扩展类加载器,该ClassLoader是在sun.misc.Launcher里作为一个内部类ExtClassLoader定义的(即 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader),ExtClassLoader会加载 ​$JAVA_HOME/jre/lib/ext下的类库(或者通过参数-Djava.ext.dirs指定)。
  3. AppClassLoader:应用程序类加载器,该ClassLoader同样是在sun.misc.Launcher里作为一个内部类AppClassLoader定义的(即 sun.misc.Launcher$AppClassLoader),AppClassLoader会加载java环境变量CLASSPATH所指定的路径下的类库,而CLASSPATH所指定的路径可以通过System.getProperty("java.class.path")获取;当然,该变量也可以覆盖,可以使用参数-cp,例如:java -cp 路径 (可以指定要执行的class目录)。
  4. CustomClassLoader:自定义类加载器,该ClassLoader是指我们自定义的ClassLoader,比如tomcat的StandardClassLoader属于这一类;当然,大部分情况下使用AppClassLoader就足够了。

ClassLoader初始化

下面贴下jdk关于类加载的源码,上述四种类加载器中CustomClassLoader是用户自定义的,BootStrapClassLoader是jvm创建的,就不展示了;这里展示下AppClassLoaderExtClassLoader的启动过程,前面介绍过,AppClassLoaderExtClassLoader都是在sun.misc.Launcher里定义的,而我的sun.misc.Launcher没有源码,大家将就看看反编译的代码吧。如果想看sun.*包下的类源码,大家可以下载openjdk来查看。

public Launcher(){
    ExtClassLoader extclassloader;
    try{
        extclassloader = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
    }
    catch(IOException ioexception) {
        throw new InternalError("Could not create extension class loader");
    }
    try{
        loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extclassloader);
    }
    catch(IOException ioexception1){
        throw new InternalError("Could not create application class loader");
    }
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
    String s = System.getProperty("java.security.manager");
    if(s != null){
        SecurityManager securitymanager = null;
        if("".equals(s) || "default".equals(s))
        securitymanager = new SecurityManager();
        else
        try{
            securitymanager = (SecurityManager)loader.loadClass(s).newInstance();
        }
        catch(IllegalAccessException illegalaccessexception) { }
        catch(InstantiationException instantiationexception) { }
        catch(ClassNotFoundException classnotfoundexception) { }
        catch(ClassCastException classcastexception) { }
        if(securitymanager != null)
          System.setSecurityManager(securitymanager);
        else
          throw new InternalError((new StringBuilder()).append("Could not create SecurityManager: ").append(s).toString());
    }
}

可以看到在Launcher构造函数的执行过程如下:

  1. 通过ExtClassLoader.getExtClassLoader()创建了ExtClassLoader
  2. 通过AppClassLoader.getAppClassLoader(ExtClassLoader)创建了AppClassLoader,并将ExtClassLoader设为AppClassLoader的parent ClassLoader;
  3. 通过Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader)AppClassLoader设为线程的上下文 ClassLoader
  4. 根据jvm参数-Djava.security.manager创建安全管理器,此时jvm会设置系统属性"java.security.manager"为空字符串""。

再贴下ExtClassLoader源码:

static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
    private File[] dirs;

    public static ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException {
        // 用调getExtDirs()方法取获配置的扩展类路径
        final File[] dirs = getExtDirs();
        try {
            // 应用getExtDirs()方法返回的路径生成一个新的ClassLoader实例
            return (ExtClassLoader) AccessController.doPrivileged(new PrivilegedExceptionAction() {
                public Object run() throws IOException {
                    int len = dirs.length;
                    for (int i = 0; i < len; i++) {
                        MetaIndex.registerDirectory(dirs[i]);
                    }
                    return new ExtClassLoader(dirs);
                }
            });
        } catch (java.security.PrivilegedActionException e) {
            throw (IOException) e.getException();
        }
    }


    // 再看这个方法
    private static File[] getExtDirs() {
        // 取获配置的扩展类路径
        String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
        File[] dirs;
        if (s != null) {
            StringTokenizer st = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
            int count = st.countTokens();
            dirs = new File[count];
            for (int i = 0; i < count; i++) {
                dirs[i] = new File(st.nextToken());
            }
        } else {
            dirs = new File[0];
        }
        return dirs;
    }

    // 其他码代略
    ...
}

反编译的源码,大家将就看下;这里大家关注下getExtDirs()这个方法,它会获取属性"java.ext.dirs"所对应的值,然后通过系统分隔符分割,然后加载分割后的字符串对应的目录作为ClassLoader的类加载库。

下面看看AppClassLoader源码:

public static ClassLoader getAppClassLoader(ClassLoader classloader) throws IOException{
    String s = System.getProperty("java.class.path");
    File afile[] = s != null ? Launcher.getClassPath(s) : new File[0];
    return (AppClassLoader)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction(s, afile, classloader) {
    public Object run() {
        URL aurl[] = s != null ? Launcher.pathToURLs(path) : new URL[0];
        return new AppClassLoader(aurl, extcl);
    }

    final String val$s;
    final File val$path[];
    final ClassLoader val$extcl;

    {
        s = s1;
        path = afile;
        extcl = classloader;
        super();
    }
    });
}

首先获取"java.class.path"对应的属性,并转换为URL[]并设置为ClassLoader的类加载库,注意这里的方法入参classloader就是ExtClassLoader,在创AppClassLoader会传入ExtClassLoader作为parent ClassLoader。

上面就是ClassLoader的启动和初始化过程,后面会把loader作为应用程序的默认ClassLoader使用,看下面的测试用例:

public static void main(String... args) {
    ClassLoader loader = Test.class.getClassLoader();
    System.err.println(loader);
    while (loader != null) {
        loader = loader.getParent();
        System.err.println(loader);
    }
}

可以看到ClassLoader的层次结构,输出结果为:

img

ClassLoader双亲委派机制源码

前面谈到了ClassLoader的几类加载器,而ClassLoader使用双亲委派机制来加载class文件的。

ClassLoader的双亲委派机制是这样的(这里先忽略掉自定义类加载器CustomClassLoader):

  1. AppClassLoader加载一个class时,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。
  2. ExtClassLoader加载一个class时,它首先也不会自己去尝试加载这个类,而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader去完成。
  3. 如果BootStrapClassLoader加载失败(例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到该class),会使用ExtClassLoader来尝试加载;
  4. 若ExtClassLoader也加载失败,则会使用AppClassLoader来加载,如果AppClassLoader也加载失败,则会报出异常ClassNotFoundException

下面贴下ClassLoader的loadClass(String name, boolean resolve)源码:

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    // First, check if the class has already been loaded
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        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.
            c = findClass(name);
        }
    }
    if (resolve) {
        resolveClass(c);
    }
    return c;
}

代码很明朗:首先找缓存(findLoadedClass),没有的话就判断有没有parent,有的话就用parent来递归的loadClass,然而ExtClassLoader并没有设置parent,则会通过findBootstrapClassOrNull来加载class,而findBootstrapClassOrNull则会通过JNI方法”private native Class findBootstrapClass(String name)“来使用BootStrapClassLoader来加载class。

然后如果parent未找到class,则会调用findClass来加载class,findClass是一个protected的空方法,可以覆盖它以便自定义class加载过程。

另外,虽然ClassLoader加载类是使用loadClass方法,但是鼓励用 ClassLoader 的子类重写 findClass(String),而不是重写loadClass,这样就不会覆盖了类加载默认的双亲委派机制。

双亲委派机制为什么安全

前面谈到双亲委派机制是为了安全而设计的,但是为什么就安全了呢?举个例子,ClassLoader加载的class文件来源很多,比如编译器编译生成的class、或者网络下载的字节码。而一些来源的class文件是不可靠的,比如我可以自定义一个java.lang.Integer类来覆盖jdk中默认的Integer类,例如下面这样:

package java.lang;

public class Integer {
    public Integer(int value) {
        System.exit(0);
    }
}

初始化这个Integer的构造器是会退出JVM,破坏应用程序的正常进行,如果使用双亲委派机制的话该Integer类永远不会被调用,以为委托BootStrapClassLoader加载后会加载JDK中的Integer类而不会加载自定义的这个,可以看下下面这测试个用例:

 public static void main(String... args) {
     Integer i = new Integer(1);
     System.err.println(i);
 }

执行时JVM并未在new Integer(1)时退出,说明未使用自定义的Integer,于是就保证了安全性。

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