Java类加载机制

类加载器

  

   虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现 ，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

   类加载器可以说是Java语言的一项创新，也是Java语言流行的重要原因之一，它最初是为了满足 Java Applet的需求而开发出来的。虽然目前Java Applet 技术基本上已经“死掉”，但类加载器却在类层次划分、OSGi、热部署、代码加密等领域大放异彩，成为了Java 技术体系中一块重要的基石，可谓是失之桑榆，收之东隅。

   类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java 程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java 虚拟机中的唯一性，每一个类，都拥有一个独立的类名称空间。这句话可以表达得更通俗一些：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义 。 否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

双亲委派模型

   从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader ），这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都由Java 语言实现，独立于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。

   从Java开发人员的角度来看， 类加载器还可以划分得更细致一些， 绝大部分Java程序都会使用到以下 3种系统提供的类加载器。

1）启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：前面已经介绍过，这个类加载器负责将存放在＜ JAVA_HOME＞\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath 参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如 rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用。

2）扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器由sun.misc.Launcher .ExtClassLoader实现，它负责加载＜JAVA_HOME＞ \lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs 系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。

3）应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher.AppClassLoader 实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的 getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径（Class Path）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

   我们的应用程序都是由这 3种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自己定义的类加载器。这些类加载器之间的关系一般如下图所示。

   图中展示的类加载器之间的这种层次关系，称为类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation Model）。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承（ Inheritance）的关系来实现，而是都使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。 类加载器的双亲委派模型在JDK 1.2期间被引入并被广泛应用于之后几乎所有的Java程序中，但它并不是一个强制性的约束模型，而是 Java 设计者推荐给开发者的一种类加载器实现方式。

   双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此 ，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

   使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是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 。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此 Object 类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反，如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个称为java.lang.Object的类，并放在程序的 Class Path 中，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java 类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。如果读者有兴趣的话，可以尝试去编写一个与 rt.jar类库中已有类重名的Java 类，将会发现可以正常编译，但永远无法被加载运行。

   双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作很重要，但它的实现却非常简单，实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader 的loadClass（）方法之中，如以下代码所示，逻辑清晰易懂：

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
	//首先， 检查请求的类是否已经被加载过了
	Class c=findLoadedClass(name);
	if( c== null ){
		try{
			if( parent != null ){
				c = parent.loadClass(name,false);
			} else {
				c = findBootstrapClassOrNull(name);
			}
		} catch (ClassNotFoundException e) {
		//如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
		//说明父类加载器无法完成加载请求
		}
		if( c == null ) {
			//在父类加载器无法加载的时候
			//再调用本身的findClass方法来进行类加载
			c = findClass(name);
		}
	} 
	if(resolve){
		resolveClass(c);
	}
	return c;
}

   先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载。双亲委派的具体逻辑就实现在这个loadClass()方法之中，JDK 1.2之后已不提倡用户再去覆盖loadClass()方法，而应当把自己的类加载逻辑写到findClass()方法中，在loadClass()方法的逻辑里如果父类加载失败，则会调用自己的findClass()方法来完成加载，这样就可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的。

打破双亲委派模型

   上文提到过双亲委派模型并不是一个强制性的约束模型，而是 Java设计者推荐给开发者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。

   双亲委派模型的一次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷所导致的，双亲委派很好地解决了各个类加载器的基础类的统一问题（越基础的类由越上层的加载器进行加载） ，基础类之所以称为“基础”，是因为它们总是作为被用户代码调用的API ，但世事往往没有绝对的完美，如果基础类又要调用回用户的代码，那该怎么办？这并非是不可能的事情，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去加载（在 JDK 1.3时放进去的rt.jar），但JNDI 的目的就是对资源进行集中管理和查找，它需要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的Class Path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” 这些代码 ，因为启动类加载器的搜索范围中找不到用户应用程序类，那该怎么办？为了解决这个问题，Java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（Application ClassLoader）。

   有了线程上下文类加载器，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要的 SPI代码，也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作，这种行为实际上就是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器 ，实际上已经违背了双亲委派模型的一般性原则，但这也是无可奈何的事情。Java中所有涉及SPI的加载动作基本上都采用这种方式，例如 JNDI 、JDBC、JCE、 JAXB 和JBI等。

   双亲委派模型的另一次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的，这里所说的“ 动态性”指的是当前一些非常“热门”的名词：代码热替换（HotSwap）、模块热部署（HotDeployment）等 ，说白了就是希望应用程序能像我们的计算机外设那样，接上鼠标、U盘，不用重启机器就能立即使用，鼠标有问题或要升级就换个鼠标，不用停机也不用重启。对于个人计算机来说，重启一次其实没有什么大不了的，但对于一些生产系统来说，关机重启一次可能就要被列为生产事故，这种情况下热部署就对软件开发者，尤其是企业级软件开发者具有很大的吸引力。Sun 公司所提出的JSR-294、JSR-277规范在与 JCP组织的模块化规范之争中落败给JSR-291（即 OSGi R4.2），虽然Sun不甘失去Java 模块化的主导权，独立在发展 Jigsaw项目，但目前OSGi已经成为了业界“ 事实上” 的Java模块化标准，而OSGi实现模块化热部署的关键则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Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。

   在OSGi环境下，类加载器不再是双亲委派模型中的树状结构，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：

1）将以java.*开头的类委派给父类加载器加载。

2）否则，将委派列表名单内的类委派给父类加载器加载。

3）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。

4）否则，查找当前Bundle的 Class Path，使用自己的类加载器加载。

5）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。

6）否则，查找Dynamic Import列表的 Bundle，委派给对应Bundle的类加载器加载。

7）否则，类查找失败。

   上面的查找顺序中只有开头两点仍然符合双亲委派规则，其余的类查找都是在平级的类加载器中进行的。

   只要有足够意义和理由，突破已有的原则就可认为是一种创新。正如OSGi中的类加载器并不符合传统的双亲委派的类加载器，并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，但在Java 程序员中基本有一个共识：OSGi中对类加载器的使用是很值得学习的，弄懂了OSGi的实现，就可以算是掌握了类加载器的精髓。

Tomcat的类加载器架构

   

   主流的Java Web服务器（也就是Web容器） ，如Tomcat、Jetty、WebLogic、WebSphere 或其他笔者没有列举的服务器，都实现了自己定义的类加载器（一般都不止一个）。因为一个功能健全的 Web容器，要解决如下几个问题：

   1）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。这是最基本的需求，两个不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类库的不同版本，不能要求一个类库在一个服务器中只有一份，服务器应当保证两个应用程序的类库可以互相独立使用。

   2）部署在同一个Web容器上 的两个Web应用程序所使用的Java类库可以互相共享 。这个需求也很常见，例如，用户可能有10个使用spring 组织的应用程序部署在同一台服务器上，如果把10份Spring分别存放在各个应用程序的隔离目录中，将会是很大的资源浪费——这主要倒不是浪费磁盘空间的问题，而是指类库在使用时都要被加载到Web容器的内存，如果类库不能共享，虚拟机的方法区就会很容易出现过度膨胀的风险。

   3）Web容器需要尽可能地保证自身的安全不受部署的Web应用程序影响。目前，有许多主流的Java Web容器自身也是使用Java语言来实现的。因此，Web容器本身也有类库依赖的问题，一般来说，基于安全考虑，容器所使用的类库应该与应用程序的类库互相独立。

   4）支持JSP应用的Web容器，大多数都需要支持 HotSwap功能。我们知道，JSP文件最终要编译成Java Class才能由虚拟机执行，但JSP文件由于其纯文本存储的特性，运行时修改的概率远远大于第三方类库或程序自身的Class文件 。而且ASP、PHP 和JSP这些网页应用也把修改后无须重启作为一个很大的“优势”来看待 ，因此“主流”的Web容器都会支持JSP生成类的热替换 ，当然也有“非主流”的，如运行在生产模式（Production Mode）下的WebLogic服务器默认就不会处理JSP文件的变化。

   由于存在上述问题，在部署Web应用时，单独的一个Class Path就无法满足需求了，所以各种 Web容都“不约而同”地提供了好几个Class Path路径供用户存放第三方类库，这些路径一般都以“lib”或“classes ”命名。被放置到不同路径中的类库，具备不同的访问范围和服务对象，通常，每一个目录都会有一个相应的自定义类加载器去加载放置在里面的Java类库 。现在，就以Tomcat 容器为例，看一看Tomcat具体是如何规划用户类库结构和类加载器的。

   在Tomcat目录结构中，有3组目录（“/common/*” 、“/server/*”和“/shared/*”）可以存放Java类库，另外还可以加上Web 应用程序自身的目录“/WEB-INF/*” ，一共4组，把Java类库放置在这些目录中的含义分别如下：

   ①放置在/common目录中：类库可被Tomcat和所有的 Web应用程序共同使用。

   ②放置在/server目录中：类库可被Tomcat使用，对所有的Web应用程序都不可见。

   ③放置在/shared目录中：类库可被所有的Web应用程序共同使用，但对 Tomcat自己不可见。

   ④放置在/WebApp/WEB-INF目录中：类库仅仅可以被此Web应用程序使用，对 Tomcat和其他Web应用程序都不可见。

   为了支持这套目录结构，并对目录里面的类库进行加载和隔离，Tomcat自定义了多个类加载器，这些类加载器按照经典的双亲委派模型来实现，其关系如下图 所示。

   上图中灰色背景的3个类加载器是JDK默认提供的类加载器，这3个加载器的作用已经介绍过了。而CommonClassLoader、CatalinaClassLoader、SharedClassLoader和WebappClassLoader则是Tomcat自己定义的类加载器，它们分别加载/common/*、/server/*、/shared/*和/WebApp/WEB-INF/*中的Java类库。其中WebApp类加载器和Jsp类加载器通常会存在多个实例，每一个Web应用程序对应一个WebApp类加载器，每一个JSP文件对应一个Jsp类加载器。

   从图中的委派关系中可以看出，CommonClassLoader能加载的类都可以被Catalina ClassLoader和SharedClassLoader使用，而CatalinaClassLoader和Shared  ClassLoader自己能加载的类则与对方相互隔离。WebAppClassLoader可以使用SharedClassLoader加载到的类，但各个WebAppClassLoader实例之间相互隔离。而JasperLoader的加载范围仅仅是这个JSP文件所编译出来的那一个.Class文件，它出现的目的就是为了被丢弃：当Web容器检测到JSP文件被修改时，会替换掉目前的JasperLoader的实例，并通过再建立一个新的Jsp类加载器来实现JSP文件的HotSwap功能。

   对于Tomcat的6.x版本，只有指定了tomcat/conf/catalina.properties配置文件的server.loader和share.loader项后才会真正建立Catalina ClassLoader和Shared ClassLoader的实例，否则在用到这两个类加载器的地方都会用Common ClassLoader的实例代替，而默认的配置文件中没有设置这两个loader项，所以Tomcat 6.x顺理成章地把/common、/server和/shared三个目录默认合并到一起变成一个/lib目录，这个目录里的类库相当于以前/common目录中类库的作用。这是Tomcat设计团队为了简化大多数的部署场景所做的一项改进，如果默认设置不能满足需要，用户可以通过修改配置文件指定server.loader和share.loader的方式重新启用Tomcat 5.x的加载器架构。

    Tomcat加载器的实现清晰易懂，并且采用了官方推荐的“正统”的使用类加载器的方式。如果读者阅读完上面的案例后，能完全理解Tomcat设计团队这样布置加载器架构的用意，那说明已经大致掌握了类加载器“主流”的使用方式，那么笔者不妨再提一个问题让读者思考一下：前面曾经提到过一个场景，如果有10个Web应用程序都是用Spring来进行组织和管理的话，可以把Spring放到Common或Shared目录下让这些程序共享。Spring要对用户程序的类进行管理，自然要能访问到用户程序的类，而用户的程序显然是放在/WebApp/WEB-INF目录中的，那么被CommonClassLoader或SharedClassLoader加载的Spring如何访问并不在其加载范围内的用户程序呢？如果研究过虚拟机类加载器机制中的双亲委派模型，相信读者可以很容易地回答这个问题。

  分析：如果按主流的双亲委派机制，显然无法做到让父类加载器加载的类 去访问子类加载器加载的类，上面在类加载器一节中提到过通过线程上下文方式传播类加载器。

  答案是使用线程上下文类加载器来实现的，使用线程上下文加载器，可以让父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作。看spring源码发现，spring加载类所用的Classloader是通过Thread.currentThread().getContextClassLoader() 来获取的，而当线程创建时会默认setContextClassLoader(AppClassLoader)，即线程上下文类加载器被设置为 AppClassLoader，spring中始终可以获取到这个AppClassLoader( 在 Tomcat里就是WebAppClassLoader)子类加载器来加载bean ，以后任何一个线程都可以通过 getContextClassLoader()获取到WebAppClassLoader来getbean 了 。

本篇博文内容取材自《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》