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          我竟然被“雙親委派”給虐了

          共 7962字,需瀏覽 16分鐘

           ·

          2021-01-19 21:12

          △Hollis, 一個對Coding有著獨特追求的人△
          這是Hollis的第?326?篇原創(chuàng)分享
          作者 l Hollis
          來源 l Hollis(ID:hollischuang)
          最近一段時間,我在面試的過程中,很喜歡問雙親委派的一些問題,因為我發(fā)現(xiàn)這個問題真的可以幫助我全方位的了解一個候選人。
          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于雙親委派的理解。
          因為難得碰到一個對著塊知識了解的比較多的候選人,于是我們展開了"300回合"的交鋒,當問完這些問題的之后,大概半個小時已經(jīng)過去了。
          最后,這個后續(xù)人和我說:"我萬萬沒想到,我一個工作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:
          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、雙親委派是怎么實現(xiàn)的??
          5、我能不能主動破壞這種雙親委派機制?怎么破壞??
          6、為什么重寫loadClass方法可以破壞雙親委派,這個方法和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δK化技術(shù)的理解吧!
          以上,10個問題,從頭開始答,你大概可以堅持到第幾題?



          什么是雙親委派機制
          首先,我們知道,虛擬機在加載類的過程中需要使用類加載器進行加載,而在Java中,類加載器有很多,那么當JVM想要加載一個.class文件的時候,到底應(yīng)該由哪個類加載器加載呢?
          這就不得不提到"雙親委派機制"。
          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 啟動類加載器
          • Extention ClassLoader 標準擴展類加載器
          • 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,所謂的雙親委派機制,指的就是:當一個類加載器收到了類加載的請求的時候,他不會直接去加載指定的類,而是把這個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類的時候,才會由當前這個加載器來負責(zé)類的加載。
          那么,什么情況下父加載器會無法加載某一個類呢?
          其實,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 ,主要負責(zé)加載當前應(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,一個用戶自定義的類,如com.hollis.ClassHollis 是無論如何也不會被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,因為類加載器之間有嚴格的層次關(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。
          比如一個定義在java.lang包下的類,因為它被存放在rt.jar之中,所以在被加載過程匯總,會被一直委托到Bootstrap ClassLoader,最終由Bootstrap ClassLoader所加載。
          而一個用戶自定義的com.hollis.ClassHollis類,他也會被一直委托到Bootstrap ClassLoader,但是因為Bootstrap ClassLoader不負責(zé)加載該類,那么會在由Extention ClassLoader嘗試加載,而Extention ClassLoader也不負責(zé)這個類的加載,最終才會被Application ClassLoader加載。
          這種機制有幾個好處。
          首先,通過委派的方式,可以避免類的重復(fù)加載,當父加載器已經(jīng)加載過某一個類時,子加載器就不會再重新加載這個類。
          另外,通過雙親委派的方式,還保證了安全性。因為Bootstrap ClassLoader在加載的時候,只會加載JAVA_HOME中的jar包里面的類,如java.lang.Integer,那么這個類是不會被隨意替換的,除非有人跑到你的機器上, 破壞你的JDK。
          那么,就可以避免有人自定義一個有破壞功能的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,就會認為Java中的類加載器之間存在著繼承關(guān)系。
          甚至網(wǎng)上很多文章也會有類似的錯誤觀點。
          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)系一般不會以繼承(Inheritance)的關(guān)系來實現(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;

          ????}





          雙親委派是怎么實現(xiàn)的?
          雙親委派模型對于保證Java程序的穩(wěn)定運作很重要,但它的實現(xiàn)并不復(fù)雜。
          實現(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()方法進行加載?
          3、若父加載器為空則默認使用啟動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()方法進行加載。



          如何主動破壞雙親委派機制?
          知道了雙親委派模型的實現(xiàn),那么想要破壞雙親委派機制就很簡單了。
          因為他的雙親委派過程都是在loadClass方法中實現(xiàn)的,那么想要破壞這種機制,那么就自定義一個類加載器,重寫其中的loadClass方法,使其不進行雙親委派即可。



          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,那么這幾個方法有什么區(qū)別呢?
          • loadClass()?就是主要進行類加載的方法,默認的雙親委派機制就實現(xiàn)在這個方法中。
          • 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,當我們想要自定義一個類加載器的時候,并且像破壞雙親委派原則時,我們會重寫loadClass方法。
          那么,如果我們想定義一個類加載器,但是不想破壞雙親委派模型的時候呢?
          這時候,就可以繼承ClassLoader,并且重寫findClass方法。findClass()方法是JDK1.2之后的ClassLoader新添加的一個方法。

          /**

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

          ?????*/


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

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

          ????}

          這個方法只拋出了一個異常,沒有默認實現(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現(xiàn)到findClass()方法中。
          因為在loadClass()方法的邏輯里,如果父類加載器加載失敗,則會調(diào)用自己的findClass()方法來完成加載。
          所以,如果你想定義一個自己的類加載器,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
          雙親委派機制的破壞不是什么稀奇的事情,很多框架、容器等都會破壞這種機制來實現(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接口實現(xiàn)類的情況。
          第三種是為了實現(xiàn)熱插拔熱部署工具。為了讓代碼動態(tài)生效而無需重啟,實現(xiàn)方式時把模塊連同類加載器一起換掉就實現(xiàn)了代碼的熱替換。
          第四種時tomcat等web容器的出現(xiàn)。
          第五種時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)時候會通過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會先被類加載器加載,因為java.sql.DriverManager類是位于rt.jar下面的 ,所以他會被根加載器加載。

          類加載時,會執(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,會嘗試加載classpath下面的所有實現(xiàn)了Driver接口的實現(xiàn)類。

          那么,問題就來了。
          DriverManager是被根加載器加載的,那么在加載時遇到以上代碼,會嘗試加載所有Driver的實現(xiàn)類,但是這些實現(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,怎么解決這個問題呢?
          于是,就在JDBC中通過引入ThreadContextClassLoader(線程上下文加載器,默認情況下是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,獲取當前線程的線程上下?類加載器 AppClassLoader,?于加載 classpath 中的具體實現(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web容器可能需要部署多個應(yīng)用程序。
          不同的應(yīng)用程序可能會依賴同一個第三方類庫的不同版本,但是不同版本的類庫中某一個類的全路徑名可能是一樣的。
          如多個應(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。這兩個版本中都有一個類是com.hollis.Test.class。
          如果采用默認的雙親委派類加載機制,那么是無法加載多個相同的類。
          所以,Tomcat破壞雙親委派原則,提供隔離的機制,為每個web容器單獨提供一個WebAppClassLoader加載器。
          Tomcat的類加載機制:為了實現(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,每一個應(yīng)用自己的類加載器——WebAppClassLoader負責(zé)加載本身的目錄下的class文件,加載不到時再交給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)部可見性的精準控制都歸結(jié)于其特殊的類加載機制,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的了。
          在JDK9之前,JVM的基礎(chǔ)類以前都是在rt.jar這個包里,這個包也是JRE運行的基石。
          這不僅是違反了單一職責(zé)原則,同樣程序在編譯的時候會將很多無用的類也一并打包,造成臃腫。
          在JDK9中,整個JDK都基于模塊化進行構(gòu)建,以前的rt.jar, tool.jar被拆分成數(shù)十個模塊,編譯的時候只編譯實際用到的模塊,同時各個類加載器各司其職,只加載自己負責(zé)的模塊。

          Class?c?=?findLoadedClass(cn);

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

          ????????//?找到當前類屬于哪個模塊

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

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

          ????????????//獲取當前模塊的類加載器

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

          ????????????//進行類加載

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

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

          ??????????????//?找不到模塊信息才會進行雙親委派

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

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

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

          ??????????}

          ????}



          總結(jié)
          以上,從什么是雙親委派,到如何實現(xiàn)與破壞雙親委派,又從破壞雙親委派的示例等多個方面全面介紹了關(guān)于雙親委派的知識。
          相信通過學(xué)習(xí)本文,你一定對雙親委派機制有了更加深刻的了解。
          閱讀過本文之后,反手在簡歷上寫下:熟悉Java的類加載機制,不服來問!

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