【JVM】类加载器

【JVM】类加载器

0. 类加载器概述

类加载器（ClassLoader）是Java虚拟机提供给应用程序去实现获取类和接口字节码数据的技术。

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1. 类加载器的分类

类加载器分为两类：

1. Java代码中实现的类加载器
2. JVM底层源码实现的类加载器

jdk8和8之后版本的类加载器的设计差别较大，jdk8及之前的版本中默认的类加载器有如下几种：

1. JVM底层实现(C++)：
   • 启动类加载器Bootstrap：加载Java中最核心的类
2. Java：
   • 扩展类加载器Extension：允许扩展Java中比较通用的类
   • 应用程序类加载器Application：加载应用使用的类

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1.1 启动类加载器

**启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）**是由 Hotspot 虚拟机提供的，使用C++编写的类加载器。默认加载Java安装目录/jre/lib下的类文件，比如 rt.jar，tools.jar，resources.jar等。

使用启动类加载器去加载用户jar包有两种方式：

1. 将jar包放入 jre/lib 目录下进行扩展
   • 不推荐，尽可能不要去更改JDK安装目录中的内容，因为就算将jar包放入该目录下也可能由于文件名不匹配的问题导致jar包不会正常的被加载。
2. 使用参数进行扩展
   • 推荐，使用 -Xbootclasspath/a:路径/jar包名.jar 进行扩展。

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1.2 Java中的默认类加载器

扩展类加载器和应用程序类加载器都说JDK中提供的、使用Java编写的类加载器。它们的源码都位于 sun.misc.Launcher 中，是一个静态内部类。继承自 URLClassLoader ，可以通过目录或者指定jar包将字节码文件加载到内存中。

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1.2.1 扩展类加载器

**扩展类加载器（Extension ClassLoader）**是jdk中提供的、使用Java编写的类加载器。默认加载Java安装目录 /jre/lib/ext 下的类文件。

通过扩展类加载器去加载用户jar包的方式：

1. 放入 jre/lib/ext 下进行扩展。
   • 不推荐，尽可能不要去更改jdk安装目录中的内容。
2. 使用参数进行扩展
   • 推荐，使用 -Djava.ext.dirs=jar包目录 进行扩展，这种方式会覆盖掉原始目录，随意我们应该用 ;（windows）或 :（macos/linux）追加上原始目录。

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1.2.2 应用程序类加载器

应用程序类加载器（AppClassLoader）：面向我们用户的加载器，负责加载当前应用 classpath 下的所有 jar 包和类。

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2. 双亲委派机制

由于JVM中有多个类加载器，双亲委派机制的核心是解决一个类到底由谁加载的问题。

双亲委派机制的作用：

1. 保证类加载的安全性：通过双亲委派机制避免恶意代码替换jdk中的核心类库，比如 java.lang.String ，确保核心类库的完整性和安全性。
2. 避免重复加载：双亲委派机制可以避免同一个类被多次加载。

双亲委派机制指的是：当一个类加载器接收到加载类的任务时，会自底向上查找是否加载过，再由顶向下进行加载。

1. 向上查找：
   • 向上查找如果已经加载过，就直接返回Class对象，加载过程结束。这样就能避免一个类重复加载。
2. 向下加载：
   • 如果所有父类加载器都无法加载该类，则由当前类加载器自己尝试加载。所以看上去是自顶向下尝试。
   • 第二次再去加载相同的类，仍会向上进行委派，如果某个类加载器加载过就会直接返回。

每个Java实现的类加载器中都保存了一个成员变量名为 parent 的类加载器，**可以理解为它的上级，并不是继承关系。**应用程序类加载器的parent父类加载器是扩展类加载器，而扩展类加载器的parent是空，因为启动类加载器由C++实现，无法在Java中获得。

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2.1 类的双亲委派机制是什么？

类的双亲委派机制是什么？

1. 当一个类加载器去加载某个类的时候，会自底向上查找是否加载过，如果加载过就直接返回Class对象，如果一直到最顶层的类加载器都没有加载，再自顶向下进行加载。
2. 应用程序类加载器的父类加载器是扩展类加载器，扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。
3. 双亲委派机制的好处：
   • 避免恶意代码替换jdk中核心类库，确保核心类库的完整性和安全性。
   • 避免类被重复加载。

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2.2 打破双亲委派机制

打破双亲委派机制的三种方式：

1. 自定义类加载器：自定义类加载器并且重写 loadClass 方法，就可以将双亲委派机制的代码去除。
2. 线程上下文类加载器：利用上下文类加载器加载类，比如JDBC和JNDI等。
3. Osgi框架的类加载器：历史上Osgi框架实现了一套新的类加载器机制，允许同级之间委托进行类的加载。

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2.2.1 自定义类加载器

• 一个Tomcat程序中可以运行多个Web应用，如果这两个应用中出现了相同限定名的类，比如Servlet类，Tomcat要保证这两个类都能加载并且它们应该是不同的类。
• 如果不打破双亲委派机制，当应用类加载器加载Web应用1中的MyServlet之后，Web应用2中相同限定名的MyServlet类就无法被加载了。
  

Tomcat使用了自定义类加载器来实现应用之间类的隔离。每一个应用会有一个独立的类加载器加在对应的类。

ClassLoader中包含了4个核心方法(双亲委派机制的核心代码就位于loadClass方法中)：

打破双亲委派机制的关键就是重写 loadClass 方法中的逻辑。

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2.2.2 线程上下文类加载器

JDBC中使用了 DriverManager 来管理项目中引入的不同数据库的驱动，比如mysql驱动，oracle驱动。

DriverManager 类位于 rt.jar 包中，由启动类加载器加载。而依赖中的mysql驱动对应的类，由应用程序类加载器来加载。这就违反了双亲委派机制。

DriverManager 使用SPI机制，最终加载jar包中对应的驱动类。

那么SPI机制是如何获取到应用程序类加载器的呢？

SPI中使用了线程上下文中保存的类加载器进行类的加载，这个类加载器一般是应用程序类加载器。

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service){ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();return ServiceLoader.load(service,cl);
}

完整流程：

1. 启动类加载器加载 DriverManager
2. 在初始化 DriverManager 时，通过SPI机制加载jar包中的mysql驱动
3. SPI中利用了线程上下文类加载器(应用程序类加载器)去加载类并创建对象。

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思考：

JDBC案例真的打破了双亲委派机制吗？

有两种说法：

1. 打破了双亲委派机制：这种由启动类加载器加载的类，委派应用程序类加载器去加载类的方式，打破了双亲委派机制。
2. 没有打破双亲委派机制：类加载流程中，没有违反双亲委派机制。因为 DriverManager 位于rt.jar包下，由启动类加载器加载，而mysql驱动位于classpath，由应用程序类加载器加载，没有问题。

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2.3 OSGi模块化

历史上，OSGi模块化框架。它存在同级之间的类加载器的委托加载。OSGi还使用类加载器实现了热部署(在服务不停止的情况下，动态更新字节码文件到内存中)的功能。

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3. 总结

1. 类加载器的作用是什么？

答：类加载器(ClassLoader)负责在类加载过程当中获取字节码并加载到内存中转换成byte[]，接下来调用虚拟机底层方法将byte[]转换成方法区和堆中的数据。

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2. 有几种常见的类加载器？

答：

• 启动类加载器：加载核心类
• 扩展类加载器：加载扩展类
• 应用程序类加载器：加载应用classpath中的类
• 自定义类加载器：重写findClass方法

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3. 什么是双亲委派机制？

答：每个Java实现的类加载器中都保存了一个成员变量叫 parent 的类加载器。自底向上查找是否加载过，再由顶向下进行加载。避免核心类被应用程序重写并覆盖的问题，提升了安全性。

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4. 怎么打破双亲委派机制？

答：

1. 重写loadClass方法。
2. JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等框架使用了SPI机制+线程上下文类加载器。
3. OSGi实现了一套类加载机制，允许同级类加载器之间互相调用。