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          呵,十個(gè)雙親委派問題,想問倒我?

          共 7823字,需瀏覽 16分鐘

           ·

          2021-01-23 02:20

          本文公眾號(hào)來源:Hollis

          作者:Hollis

          本文已收錄至我的GitHub


          【對(duì)線面試官】系列?一周兩篇持續(xù)更新中!

          記得前幾天一次面試過程中,我和一位候選人聊到了JVM的類加載機(jī)制的問題,他談到了雙親委派,并且很自信的給我講了一下他對(duì)于雙親委派的理解。
          因?yàn)殡y得碰到一個(gè)對(duì)著塊知識(shí)了解的比較多的候選人,于是我們展開了"300回合"的交鋒,當(dāng)問完這些問題的之后,大概半個(gè)小時(shí)已經(jīng)過去了。
          最后,這個(gè)后續(xù)人和我說:"我萬萬沒想到,我一個(gè)工作7年的技術(shù)經(jīng)理,竟然被雙親委派給虐了!!!"
          先來回顧下我都問了他哪些問題,看看你能回答上來多少個(gè):
          1、什么是雙親委派??
          2、為什么需要雙親委派,不委派有什么問題??
          3、"父加載器"和"子加載器"之間的關(guān)系是繼承的嗎??
          4、雙親委派是怎么實(shí)現(xiàn)的??
          5、我能不能主動(dòng)破壞這種雙親委派機(jī)制?怎么破壞??
          6、為什么重寫loadClass方法可以破壞雙親委派,這個(gè)方法和findClass()、defineClass()區(qū)別是什么??
          7、說一說你知道的雙親委派被破壞的例子吧?
          8、為什么JNDI、JDBC等需要破壞雙親委派??
          9、為什么TOMCAT要破壞雙親委派??
          10、談?wù)勀銓?duì)模塊化技術(shù)的理解吧!
          以上,10個(gè)問題,從頭開始答,你大概可以堅(jiān)持到第幾題?



          什么是雙親委派機(jī)制
          首先,我們知道,虛擬機(jī)在加載類的過程中需要使用類加載器進(jìn)行加載,而在Java中,類加載器有很多,那么當(dāng)JVM想要加載一個(gè).class文件的時(shí)候,到底應(yīng)該由哪個(gè)類加載器加載呢?
          這就不得不提到"雙親委派機(jī)制"。
          首先,我們需要知道的是,Java語言系統(tǒng)中支持以下4種類加載器:
          • Bootstrap ClassLoader 啟動(dòng)類加載器
          • Extention ClassLoader 標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展類加載器
          • Application ClassLoader 應(yīng)用類加載器
          • User ClassLoader 用戶自定義類加載器
          這四種類加載器之間,是存在著一種層次關(guān)系的,如下圖
          ?
          一般認(rèn)為上一層加載器是下一層加載器的父加載器,那么,除了BootstrapClassLoader之外,所有的加載器都是有父加載器的。
          那么,所謂的雙親委派機(jī)制,指的就是:當(dāng)一個(gè)類加載器收到了類加載的請求的時(shí)候,他不會(huì)直接去加載指定的類,而是把這個(gè)請求委托給自己的父加載器去加載。只有父加載器無法加載這個(gè)類的時(shí)候,才會(huì)由當(dāng)前這個(gè)加載器來負(fù)責(zé)類的加載。
          那么,什么情況下父加載器會(huì)無法加載某一個(gè)類呢?
          其實(shí),Java中提供的這四種類型的加載器,是有各自的職責(zé)的:
          • Bootstrap ClassLoader ,主要負(fù)責(zé)加載Java核心類庫,%JRE_HOME%\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar和class等。
          • Extention ClassLoader,主要負(fù)責(zé)加載目錄%JRE_HOME%\lib\ext目錄下的jar包和class文件。
          • Application ClassLoader ,主要負(fù)責(zé)加載當(dāng)前應(yīng)用的classpath下的所有類
          • User ClassLoader , 用戶自定義的類加載器,可加載指定路徑的class文件
          那么也就是說,一個(gè)用戶自定義的類,如com.hollis.ClassHollis 是無論如何也不會(huì)被Bootstrap和Extention加載器加載的。



          為什么需要雙親委派?
          如上面我們提到的,因?yàn)轭惣虞d器之間有嚴(yán)格的層次關(guān)系,那么也就使得Java類也隨之具備了層次關(guān)系。
          或者說這種層次關(guān)系是優(yōu)先級(jí)。
          比如一個(gè)定義在java.lang包下的類,因?yàn)樗淮娣旁趓t.jar之中,所以在被加載過程匯總,會(huì)被一直委托到Bootstrap ClassLoader,最終由Bootstrap ClassLoader所加載。
          而一個(gè)用戶自定義的com.hollis.ClassHollis類,他也會(huì)被一直委托到Bootstrap ClassLoader,但是因?yàn)锽ootstrap ClassLoader不負(fù)責(zé)加載該類,那么會(huì)在由Extention ClassLoader嘗試加載,而Extention ClassLoader也不負(fù)責(zé)這個(gè)類的加載,最終才會(huì)被Application ClassLoader加載。
          這種機(jī)制有幾個(gè)好處。
          首先,通過委派的方式,可以避免類的重復(fù)加載,當(dāng)父加載器已經(jīng)加載過某一個(gè)類時(shí),子加載器就不會(huì)再重新加載這個(gè)類。
          另外,通過雙親委派的方式,還保證了安全性。因?yàn)锽ootstrap ClassLoader在加載的時(shí)候,只會(huì)加載JAVA_HOME中的jar包里面的類,如java.lang.Integer,那么這個(gè)類是不會(huì)被隨意替換的,除非有人跑到你的機(jī)器上, 破壞你的JDK。
          那么,就可以避免有人自定義一個(gè)有破壞功能的java.lang.Integer被加載。這樣可以有效的防止核心Java API被篡改。



          "父子加載器"之間的關(guān)系是繼承嗎?
          很多人看到父加載器、子加載器這樣的名字,就會(huì)認(rèn)為Java中的類加載器之間存在著繼承關(guān)系。
          甚至網(wǎng)上很多文章也會(huì)有類似的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。
          這里需要明確一下,雙親委派模型中,類加載器之間的父子關(guān)系一般不會(huì)以繼承(Inheritance)的關(guān)系來實(shí)現(xiàn),而是都使用組合(Composition)關(guān)系來復(fù)用父加載器的代碼的。
          如下為ClassLoader中父加載器的定義:

          public?abstract?class?ClassLoader?{

          ????????//?The?parent?class?loader?for?delegation

          ????????private?final?ClassLoader?parent;

          ????}





          雙親委派是怎么實(shí)現(xiàn)的?
          雙親委派模型對(duì)于保證Java程序的穩(wěn)定運(yùn)作很重要,但它的實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜。
          實(shí)現(xiàn)雙親委派的代碼都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中

          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();

          ????????????????????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.

          ????????????????????????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;

          ????????????}

          ????????}

          代碼不難理解,主要就是以下幾個(gè)步驟:

          1、先檢查類是否已經(jīng)被加載過?
          2、若沒有加載則調(diào)用父加載器的loadClass()方法進(jìn)行加載?
          3、若父加載器為空則默認(rèn)使用啟動(dòng)類加載器作為父加載器。
          4、如果父類加載失敗,拋出ClassNotFoundException異常后,再調(diào)用自己的findClass()方法進(jìn)行加載。



          如何主動(dòng)破壞雙親委派機(jī)制?
          知道了雙親委派模型的實(shí)現(xiàn),那么想要破壞雙親委派機(jī)制就很簡單了。
          因?yàn)樗碾p親委派過程都是在loadClass方法中實(shí)現(xiàn)的,那么想要破壞這種機(jī)制,那么就自定義一個(gè)類加載器,重寫其中的loadClass方法,使其不進(jìn)行雙親委派即可。



          loadClass()、findClass()、defineClass()區(qū)別
          ClassLoader中和類加載有關(guān)的方法有很多,前面提到了loadClass,除此之外,還有findClass和defineClass等,那么這幾個(gè)方法有什么區(qū)別呢?
          • loadClass()?就是主要進(jìn)行類加載的方法,默認(rèn)的雙親委派機(jī)制就實(shí)現(xiàn)在這個(gè)方法中。
          • findClass()?根據(jù)名稱或位置加載.class字節(jié)碼
          • definclass()?把字節(jié)碼轉(zhuǎn)化為Class
          這里面需要展開講一下loadClass和findClass,我們前面說過,當(dāng)我們想要自定義一個(gè)類加載器的時(shí)候,并且像破壞雙親委派原則時(shí),我們會(huì)重寫loadClass方法。
          那么,如果我們想定義一個(gè)類加載器,但是不想破壞雙親委派模型的時(shí)候呢?
          這時(shí)候,就可以繼承ClassLoader,并且重寫findClass方法。findClass()方法是JDK1.2之后的ClassLoader新添加的一個(gè)方法。

          /**

          ?????*?@since??1.2

          ?????*/


          ????protected?Class?findClass(String?name)?throws?ClassNotFoundException?{

          ????????throw?new?ClassNotFoundException(name);

          ????}

          這個(gè)方法只拋出了一個(gè)異常,沒有默認(rèn)實(shí)現(xiàn)。

          JDK1.2之后已不再提倡用戶直接覆蓋loadClass()方法,而是建議把自己的類加載邏輯實(shí)現(xiàn)到findClass()方法中。
          因?yàn)樵趌oadClass()方法的邏輯里,如果父類加載器加載失敗,則會(huì)調(diào)用自己的findClass()方法來完成加載。
          所以,如果你想定義一個(gè)自己的類加載器,并且要遵守雙親委派模型,那么可以繼承ClassLoader,并且在findClass中實(shí)現(xiàn)你自己的加載邏輯即可。



          雙親委派被破壞的例子
          雙親委派機(jī)制的破壞不是什么稀奇的事情,很多框架、容器等都會(huì)破壞這種機(jī)制來實(shí)現(xiàn)某些功能。
          第一種被破壞的情況是在雙親委派出現(xiàn)之前。
          由于雙親委派模型是在JDK1.2之后才被引入的,而在這之前已經(jīng)有用戶自定義類加載器在用了。所以,這些是沒有遵守雙親委派原則的。
          第二種,是JNDI、JDBC等需要加載SPI接口實(shí)現(xiàn)類的情況。
          第三種是為了實(shí)現(xiàn)熱插拔熱部署工具。為了讓代碼動(dòng)態(tài)生效而無需重啟,實(shí)現(xiàn)方式時(shí)把模塊連同類加載器一起換掉就實(shí)現(xiàn)了代碼的熱替換。
          第四種時(shí)tomcat等web容器的出現(xiàn)。
          第五種時(shí)OSGI、Jigsaw等模塊化技術(shù)的應(yīng)用。



          為什么JNDI,JDBC等需要破壞雙親委派?
          我們?nèi)粘i_發(fā)中,大多數(shù)時(shí)候會(huì)通過API的方式調(diào)用Java提供的那些基礎(chǔ)類,這些基礎(chǔ)類時(shí)被Bootstrap加載的。
          但是,調(diào)用方式除了API之外,還有一種SPI的方式。
          如典型的JDBC服務(wù),我們通常通過以下方式創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接:
          Connection?conn?=?DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/mysql",?"root",?"1234");

          在以上代碼執(zhí)行之前,DriverManager會(huì)先被類加載器加載,因?yàn)閖ava.sql.DriverManager類是位于rt.jar下面的 ,所以他會(huì)被根加載器加載。

          類加載時(shí),會(huì)執(zhí)行該類的靜態(tài)方法。其中有一段關(guān)鍵的代碼是:
          ServiceLoader?loadedDrivers?=?ServiceLoader.load(Driver.class);

          這段代碼,會(huì)嘗試加載classpath下面的所有實(shí)現(xiàn)了Driver接口的實(shí)現(xiàn)類。

          那么,問題就來了。
          DriverManager是被根加載器加載的,那么在加載時(shí)遇到以上代碼,會(huì)嘗試加載所有Driver的實(shí)現(xiàn)類,但是這些實(shí)現(xiàn)類基本都是第三方提供的,根據(jù)雙親委派原則,第三方的類不能被根加載器加載。
          那么,怎么解決這個(gè)問題呢?
          于是,就在JDBC中通過引入ThreadContextClassLoader(線程上下文加載器,默認(rèn)情況下是AppClassLoader)的方式破壞了雙親委派原則。
          我們深入到ServiceLoader.load方法就可以看到:
          public?static??ServiceLoader?load(Class?service)?{

          ????????ClassLoader?cl?=?Thread.currentThread().getContextClassLoader();

          ????????return?ServiceLoader.load(service,?cl);

          ????}

          第一行,獲取當(dāng)前線程的線程上下?類加載器 AppClassLoader,?于加載 classpath 中的具體實(shí)現(xiàn)類。




          為什么Tomcat要破壞雙親委派
          我們知道,Tomcat是web容器,那么一個(gè)web容器可能需要部署多個(gè)應(yīng)用程序。
          不同的應(yīng)用程序可能會(huì)依賴同一個(gè)第三方類庫的不同版本,但是不同版本的類庫中某一個(gè)類的全路徑名可能是一樣的。
          如多個(gè)應(yīng)用都要依賴hollis.jar,但是A應(yīng)用需要依賴1.0.0版本,但是B應(yīng)用需要依賴1.0.1版本。這兩個(gè)版本中都有一個(gè)類是com.hollis.Test.class。
          如果采用默認(rèn)的雙親委派類加載機(jī)制,那么是無法加載多個(gè)相同的類。
          所以,Tomcat破壞雙親委派原則,提供隔離的機(jī)制,為每個(gè)web容器單獨(dú)提供一個(gè)WebAppClassLoader加載器。
          Tomcat的類加載機(jī)制:為了實(shí)現(xiàn)隔離性,優(yōu)先加載 Web 應(yīng)用自己定義的類,所以沒有遵照雙親委派的約定,每一個(gè)應(yīng)用自己的類加載器——WebAppClassLoader負(fù)責(zé)加載本身的目錄下的class文件,加載不到時(shí)再交給CommonClassLoader加載,這和雙親委派剛好相反。



          模塊化技術(shù)與類加載機(jī)制
          近幾年模塊化技術(shù)已經(jīng)很成熟了,在JDK 9中已經(jīng)應(yīng)用了模塊化的技術(shù)。
          其實(shí)早在JDK 9之前,OSGI這種框架已經(jīng)是模塊化的了,而OSGI之所以能夠?qū)崿F(xiàn)模塊熱插拔和模塊內(nèi)部可見性的精準(zhǔn)控制都?xì)w結(jié)于其特殊的類加載機(jī)制,加載器之間的關(guān)系不再是雙親委派模型的樹狀結(jié)構(gòu),而是發(fā)展成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
          ?
          在JDK中,雙親委派也不是絕對(duì)的了。
          在JDK9之前,JVM的基礎(chǔ)類以前都是在rt.jar這個(gè)包里,這個(gè)包也是JRE運(yùn)行的基石。
          這不僅是違反了單一職責(zé)原則,同樣程序在編譯的時(shí)候會(huì)將很多無用的類也一并打包,造成臃腫。
          在JDK9中,整個(gè)JDK都基于模塊化進(jìn)行構(gòu)建,以前的rt.jar, tool.jar被拆分成數(shù)十個(gè)模塊,編譯的時(shí)候只編譯實(shí)際用到的模塊,同時(shí)各個(gè)類加載器各司其職,只加載自己負(fù)責(zé)的模塊。

          Class?c?=?findLoadedClass(cn);

          ????if?(c?==?null)?{

          ????????//?找到當(dāng)前類屬于哪個(gè)模塊

          ????????LoadedModule?loadedModule?=?findLoadedModule(cn);

          ????????if?(loadedModule?!=?null)?{

          ????????????//獲取當(dāng)前模塊的類加載器

          ????????????BuiltinClassLoader?loader?=?loadedModule.loader();

          ????????????//進(jìn)行類加載

          ????????????c?=?findClassInModuleOrNull(loadedModule,?cn);

          ?????????}?else?{

          ??????????????//?找不到模塊信息才會(huì)進(jìn)行雙親委派

          ????????????????if?(parent?!=?null)?{

          ??????????????????c?=?parent.loadClassOrNull(cn);

          ????????????????}

          ??????????}

          ????}



          總結(jié)
          以上,從什么是雙親委派,到如何實(shí)現(xiàn)與破壞雙親委派,又從破壞雙親委派的示例等多個(gè)方面全面介紹了關(guān)于雙親委派的知識(shí)。
          相信通過學(xué)習(xí)本文,你一定對(duì)雙親委派機(jī)制有了更加深刻的了解。
          歡迎關(guān)注我的微信公眾號(hào)【面試造火箭】來聊聊Java面試

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