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JVM类加载器
JVM主要有以下几种类加载器：
- 引导类加载器
主要加载JVM运行核心类库，位于JRE的lib目录下，如rt.jar中的类。 - 扩展类加载器
主要加载JVM中扩展类，位于JRE的ext目录下。 - 应用程序类加载器
主要负责加载ClassPath路径下的类，也就是业务类。 - 自定义加载器
负责加载用户自定义路径下的类。
类加载器关系
源码解析
ExtClassLoader和AppClassLoader的创建流程
先看下Launcher的构造方法：
public Launcher() {
Launcher.ExtClassLoader var1;
try {
//获取扩展类加载器
var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
} catch (IOException var10) {
throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
}
try {
//获取应用类加载器，this.loader就是默认的类加载器：即AppClassLoader
this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
} catch (IOException var9) {
throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
}
//设置默认classLoader
Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
}
ExtClassLoader
看下ExtClassLoader的获取方法getExtClassloader():
可以看到ExtClassLoader是Launcher的一个内部类，继承的是URLClassLoader。
public static Launcher.ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException {
//获取要加载的类文件
final File[] var0 = getExtDirs();
try {
return (Launcher.ExtClassLoader)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedExceptionAction<Launcher.ExtClassLoader>() {
public Launcher.ExtClassLoader run() throws IOException {
int var1 = var0.length;
for(int var2 = 0; var2 < var1; ++var2) {
MetaIndex.registerDirectory(var0[var2]);
}
//new一个ExtClassLoader
return new Launcher.ExtClassLoader(var0);
}
});
} catch (PrivilegedActionException var2) {
throw (IOException)var2.getException();
}
}
查看getExtDirs()方法：可以看到要加载的类文件都是位于ext文件夹下的。
private static File[] getExtDirs() {
String var0 = System.getProperty("java.ext.dirs");
File[] var1;
if (var0 != null) {
StringTokenizer var2 = new StringTokenizer(var0, File.pathSeparator);
int var3 = var2.countTokens();
var1 = new File[var3];
for(int var4 = 0; var4 < var3; ++var4) {
var1[var4] = new File(var2.nextToken());
}
} else {
var1 = new File[0];
}
return var1;
}
继续看ExtClassLoader的构造方法：
public ExtClassLoader(File[] var1) throws IOException {
super(getExtURLs(var1), (ClassLoader)null, Launcher.factory);
SharedSecrets.getJavaNetAccess().getURLClassPath(this).initLookupCache(this);
}
调用了父类的构造方法：
可以看到ExtClassLoader的parent赋值为null，因为引导类加载器是C++语言写的，没有实际java对象。
public URLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent,
URLStreamHandlerFactory factory) {
super(parent);
// this is to make the stack depth consistent with 1.1
SecurityManager security = System.getSecurityManager();
if (security != null) {
security.checkCreateClassLoader();
}
acc = AccessController.getContext();
ucp = new URLClassPath(urls, factory, acc);
}
这样一个ExtClassLoader就创建好了。
AppClassLoader
AppClassLoader同样也是继承了URLClassLoader类
看下getAppClassLoader方法：
public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader var0) throws IOException {
final String var1 = System.getProperty("java.class.path");
final File[] var2 = var1 == null ? new File[0] : Launcher.getClassPath(var1);
return (ClassLoader)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Launcher.AppClassLoader>() {
public Launcher.AppClassLoader run() {
URL[] var1x = var1 == null ? new URL[0] : Launcher.pathToURLs(var2);
return new Launcher.AppClassLoader(var1x, var0);
}
});
}
可以看到，getAppClassLoader主要加载工程classPath下的类文件。
继续看getAppClassLoader构造方法：
AppClassLoader(URL[] var1, ClassLoader var2) {
super(var1, var2, Launcher.factory);
this.ucp.initLookupCache(this);
}
从一开始的Launcher构造方法中可以看到参数var2就是先初始化的extClassLoader。
同样调用了父类URLClassLoader的构造，将extClassLoader设置为parent，所以appClassLoader的parent是extClassLoader。
由此三个主要类加载器之间的关系弄清楚了，各自要加载的范围也弄清楚。我们再看看自定义类加载器的实现。
自定义类加载器
自定义类加载器要继承ClassLoader方法，只需要重写findClass方法就行了：
package classload;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
/** * @author zhw * @description * @date 2021-07-15 14:36 */
public class MyClassLoader extends ClassLoader{
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
File file = new File("C:/Users/hiwei/Desktop/hiwei/test/Person.class");
try{
byte[] bytes = getClassBytes(file);
//defineClass方法可以把二进制流字节组成的文件转换为一个java.lang.Class
Class<?> c = defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
return c;
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return super.findClass(name);
}
private byte[] getClassBytes(File file) throws Exception
{
FileInputStream inputStream = new FileInputStream(file);//原始输入流
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
byte[] buffer = new byte[1024];
int len;
while ((len = inputStream.read(buffer)) != -1 ) {
baos.write(buffer, 0, len);
}
baos.flush();
return baos.toByteArray();
}
}
关于自定义类加载器的parent是谁，可以查看：
protected ClassLoader() {
this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
}
继续看getSystemClassLoader():
public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
initSystemClassLoader();
if (scl == null) {
return null;
}
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
checkClassLoaderPermission(scl, Reflection.getCallerClass());
}
return scl;
}
private static synchronized void initSystemClassLoader() {
if (!sclSet) {
if (scl != null)
throw new IllegalStateException("recursive invocation");
sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher();
if (l != null) {
Throwable oops = null;
scl = l.getClassLoader();
}
sclSet = true;
}
}
public ClassLoader getClassLoader() {
return this.loader;
}
返回的是this.loader。上面已经知道loader就是AppClassLoader。所以自定义类加载器的默认parent就是AppClassLoader。
双亲委派
在类加载流程中，首先调用的是Launcher.loader.loadClass()方法。
public Launcher() {
Launcher.ExtClassLoader var1;
try {
//获取扩展类加载器
var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
} catch (IOException var10) {
throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
}
try {
//获取应用类加载器，this.loader就是默认的类加载器：即AppClassLoader
this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
} catch (IOException var9) {
throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
}
//设置默认classLoader
Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
}
loader就是AppClassLoader。所以继续看AppClassLoader.loadClass方法：
public Class<?> loadClass(String var1, boolean var2) throws ClassNotFoundException {
int var3 = var1.lastIndexOf(46);
if (var3 != -1) {
SecurityManager var4 = System.getSecurityManager();
if (var4 != null) {
var4.checkPackageAccess(var1.substring(0, var3));
}
}
if (this.ucp.knownToNotExist(var1)) {
Class var5 = this.findLoadedClass(var1);
if (var5 != null) {
if (var2) {
this.resolveClass(var5);
}
return var5;
} else {
throw new ClassNotFoundException(var1);
}
} else {
//调用父类的loadClass方法
return super.loadClass(var1, var2);
}
}
继续看super.loadClass(var1, var2)：双亲委派机制的核心代码来了
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// First, check if the class has already been loaded
//先查看自己是否加载过这个类，如果加载过直接返回
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
//如果父加载器不为null，则交给父加载器加载。
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
//如果父加载器为null，则交给引导类加载器加载。
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
}
//如果父加载器未加载到改类，则自己加载
if (c == null) {
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
long t1 = System.nanoTime();
//自己加载
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;
}
}
看完上面的代码后，是不是觉得双亲委派机制的实现很简单？
双亲委派的作用：
- 沙箱安全，保证JVM核心代码不被用户自定义类覆盖。
- 保证了类加载的唯一性。
如何打破双亲委派？
看双亲委派机制的源码，可以看到主要实现实在loadClass方法中，那么，只需要重写loadClass(String name, boolean resolve)方法即可：
package classload;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
/** * @author zhw * @description * @date 2021-07-15 14:36 */
public class MyClassLoader extends ClassLoader{
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
File file = new File("C:/Users/hiwei/Desktop/hiwei/test/Person.class");
try{
byte[] bytes = getClassBytes(file);
//defineClass方法可以把二进制流字节组成的文件转换为一个java.lang.Class
Class<?> c = defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
return c;
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return super.findClass(name);
}
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();
//去掉双亲委派逻辑
/*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 }*/
//添加自己的逻辑
//如果是自己要加载的类 不给父加载器加载，其它的仍走双亲委派机制
if("hiwei.test.Person".equals(name)){
c = findClass(name);
}else{
c = getParent().loadClass(name);
}
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;
}
}
private byte[] getClassBytes(File file) throws Exception
{
FileInputStream inputStream = new FileInputStream(file);//原始输入流
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
byte[] buffer = new byte[1024];
int len;
while ((len = inputStream.read(buffer)) != -1 ) {
baos.write(buffer, 0, len);
}
baos.flush();
return baos.toByteArray();
}
}
测试类：
package classload;
/** * @author zhw * @description * @date 2021-07-15 15:09 */
public class ClassLoadTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader();
Class<?> clazz = Class.forName("hiwei.test.Person", true, myClassLoader);
Object o = clazz.newInstance();
System.out.println(o.toString());
System.out.println(clazz.getClassLoader());
}
}
测试：
目标文件夹和classPath都存在Person.class
- 测试一：
结果：使用自定义加载器加载。
- 测试二：不覆盖loadClass方法。
结果：使用AppClassLoader
破坏双亲委派的应用
tomcat破环双亲委派
在tomcat中不同的应用可能依赖同一个jar的不同版本，如果共用一个类加载器，会导致无法进行环境隔离。所以tomcat自定义类加载器，每个应用都有自己的类加载器，负责加载自己应用下的类，打破了双亲委派机制，不在让父加载器先加载。
源码分析
tomcat的Bootstrap.initClassLoaders()方法中会初始化tomcat核心类的类加载器：
private void initClassLoaders() {
try {
commonLoader = createClassLoader("common", null);
if( commonLoader == null ) {
// no config file, default to this loader - we might be in a 'single' env.
commonLoader=this.getClass().getClassLoader();
}
catalinaLoader = createClassLoader("server", commonLoader);
sharedLoader = createClassLoader("shared", commonLoader);
} catch (Throwable t) {
handleThrowable(t);
log.error("Class loader creation threw exception", t);
System.exit(1);
}
}
这三个类加载器并未破坏双亲委派模型，这三个都是URLClassLoader的实例。
真正破坏双亲委派模型的是WebappClassLoader类加载器，WebappClassLoader继承了WebappClassLoaderBase，而WebappClassLoaderBase重写了loadClass方法：
@Override
//todo 此处破坏了双亲委派模型
public Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
if (log.isDebugEnabled())
log.debug("loadClass(" + name + ", " + resolve + ")");
Class<?> clazz = null;
// Log access to stopped class loader
checkStateForClassLoading(name);
// (0) Check our previously loaded local class cache
clazz = findLoadedClass0(name);
if (clazz != null) {
if (log.isDebugEnabled())
log.debug(" Returning class from cache");
if (resolve)
resolveClass(clazz);
return clazz;
}
//省略，，，，
}
可以看到，重写的loadClass方法破坏了双亲委派模型。
JDBC破坏双亲委派
原生的JDBC中Driver驱动本身只是一个接口，并没有具体的实现，具体的实现是由不同数据库类型去实现的。例如，MySQL的jar中的Driver类具体实现的。
以以下版本为例：
<dependency>
<groupId>mysql</groupId>
<artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
<version>8.0.25</version>
</dependency>
Driver实现类：
public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver {
static {
try {
java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver());
} catch (SQLException E) {
throw new RuntimeException("Can't register driver!");
}
}
可以看到，使用了DriverManager类。在DriverManager类中有静态代码块：
static {
loadInitialDrivers();
println("JDBC DriverManager initialized");
}
继续看loadInitialDrivers()
private static void loadInitialDrivers() {
String drivers;
try {
drivers = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() {
public String run() {
return System.getProperty("jdbc.drivers");
}
});
} catch (Exception ex) {
drivers = null;
}
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
try{
while(driversIterator.hasNext()) {
driversIterator.next();
}
} catch(Throwable t) {
// Do nothing
}
return null;
}
});
println("DriverManager.initialize: jdbc.drivers = " + drivers);
if (drivers == null || drivers.equals("")) {
return;
}
String[] driversList = drivers.split(":");
println("number of Drivers:" + driversList.length);
for (String aDriver : driversList) {
try {
println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
Class.forName(aDriver, true,
ClassLoader.getSystemClassLoader());
} catch (Exception ex) {
println("DriverManager.Initialize: load failed: " + ex);
}
}
}
看下面方法：
ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
return ServiceLoader.load(service, cl);
}
使用了当前线程的classLoader。
private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {
service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");
loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;
acc = (System.getSecurityManager() != null) ? AccessController.getContext() : null;
reload();
}
回到loadInitialDrivers()方法，继续往下看：
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
//加载Driver.class
Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
try{
while(driversIterator.hasNext()) {
driversIterator.next();
}
} catch(Throwable t) {
// Do nothing
}
return null;
}
});
进入loadedDrivers.iterator():
public Iterator<S> iterator() {
return new Iterator<S>() {
Iterator<Map.Entry<String,S>> knownProviders
= providers.entrySet().iterator();
public boolean hasNext() {
if (knownProviders.hasNext())
return true;
return lookupIterator.hasNext();
}
public S next() {
if (knownProviders.hasNext())
return knownProviders.next().getValue();
return lookupIterator.next();
}
public void remove() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
};
}
可以看到返回了一个重写了hasNext()和next()方法的匿名Iterator类。
try{
while(driversIterator.hasNext()) {
driversIterator.next();
}
}
在这里调用的都是重写方法。
由调用关系，最终可以看到下面的方法：
private boolean hasNextService() {
if (nextName != null) {
return true;
}
if (configs == null) {
try {
String fullName = PREFIX + service.getName();
if (loader == null)
//找到Driver.calss
configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);
else
configs = loader.getResources(fullName);
} catch (IOException x) {
fail(service, "Error locating configuration files", x);
}
}
while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
if (!configs.hasMoreElements()) {
return false;
}
pending = parse(service, configs.nextElement());
}
nextName = pending.next();
return true;
}
private S nextService() {
if (!hasNextService())
throw new NoSuchElementException();
String cn = nextName;
nextName = null;
Class<?> c = null;
try {
//加载Driver.calss
c = Class.forName(cn, false, loader);
} catch (ClassNotFoundException x) {
fail(service,
"Provider " + cn + " not found");
}
if (!service.isAssignableFrom(c)) {
fail(service,
"Provider " + cn + " not a subtype");
}
try {
S p = service.cast(c.newInstance());
providers.put(cn, p);
return p;
} catch (Throwable x) {
fail(service,
"Provider " + cn + " could not be instantiated",
x);
}
throw new Error(); // This cannot happen
}
可以看到，Driver.class是在hasNextService()中取到，nextService()中加载的：
c = Class.forName(cn, false, loader);
这里的类加载器loader就是上面的
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
现在真相大白了，在使用spi机制时，会使用当前线程的类加载器加载”META-INF/services/”下面的Driver.class。
在双亲委派模型下，类的加载是由下至上委托的，jdk无法加载其它文件夹下的类文件。但是在jdbc中，Driver要由供应商实现，所以需要进行加载，在spi使用方法中，使用线程上下文类加载器加载指定路径下的Driver.class文件，解决了这个问题。
JDBC破坏双亲委派的实现是使用父加载器加载指定路径下的class文件。
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