@Java类加载器及双亲委派模型

类与类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段的"通过一个类的全限定名来获取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定于类加载阶段。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，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。这句话表达地再简单一点就是：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，这两个类必定不相等。

上面说的"相等"，包括代表类的.class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
        ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    String className = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";

                    //返回读取指定资源的输入流
                    InputStream is = getClass().getResourceAsStream(className);
                    if (is == null) return super.loadClass(name);
                    byte[] b = new byte[is.available()];
                    is.read(b);

                    //将一个byte数组转换为Class类的实例
                    return defineClass(name, b, 0, b.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException(name);
                }
            }
        };

        Object object = myLoader.loadClass("test.ClassLoaderTest").newInstance();
        System.out.println(object.getClass());
        System.out.println(object instanceof test.ClassLoaderTest);//false
    }
}

此时，虚拟机中存在两个ClassLoaderTest，一个是由系统应用程序类加载器加载的，另一个是由我们定义的类加载器加载的。

类加载器模型

从Java虚拟机的角度讲，只有两种类加载器：启动类加载器Bootstrap ClassLoader，这个类加载器是由C++语言实现的，是虚拟机自身实现的一部分；其他类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自java.lang.ClassLoader。从开发人员的角度讲，类加载器还可以划分地更加细致一些，一张图就能说明：

关于这张图首先说两点：

1、这三个层次的类加载器并不是继承关系，而只是层次上的定义

2、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。

这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现，而是使用组合关系来复用父加载器的代码！

1、启动类加载器Bootstrap ClassLoader

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类库加载到虚拟机内存中。Java程序无法获得启动类加载器的引用(由C++实现)，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，那直接使用null代替即可。

 /**
    * Returns the class loader for the class.  Some implementations may use
    * null to represent the bootstrap class loader. This method will return
    * null in such implementations if this class was loaded by the bootstrap
    * class loader.
    */
    @CallerSensitive
    public ClassLoader getClassLoader() {
        ClassLoader cl = getClassLoader0();
        if (cl == null)
            return null;
        SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
        if (sm != null) {
            ClassLoader.checkClassLoaderPermission(cl, Reflection.getCallerClass());
        }
        return cl;
    }

2、扩展类加载器Extension ClassLoader(负责加载一些扩展功能的包)

这个类加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责用于加载JAVA_HOME/lib/ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量指定所指定的路径中所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。java.ext.dirs系统变量所指定的路径的 可以通过程序来查看

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
    }
}

运行结果

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_111\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

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（ClassPath）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。所以通常我们自己写的java类就是由该类加载器加载的

写个小程序看下：

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader());
    }
}

运行结果为：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@546b97fd

看到通过"ClassLoader.getSystemClassLoader"，得到的是sun.misc.Launcher$AppClassLoader，这也证明了JDK认为Application ClassLoader是系统类加载器。顺便根据类加载器模型，打印一下这个类的父加载器：

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent());
    }
}

运行结果为：

sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@535ff48b

看出Application ClassLoader的父加载器确实是Extension ClassLoader，符合图中的模型。那么再打印父加载器呢？按照我们的想法应该是Bootstrap ClassLoader了，看下是不是：

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent().getParent());
    }
}

运行结果为：

null

这会打印出来的是null了。其实也很好理解，Bootstrap ClassLoader以外的ClassLoader都是Java实现的，因此这些ClassLoader势必在Java堆中有一份实例在，所以Extension ClassLoader和Application ClassLoader都能打印出内容来。但是Bootstrap ClassLoader是JVM的一部分，是用C/C++写的，不属于Java，自然在Java堆中也没有自己的空间，所以就返回null了。所以，如果ClassLoader得到的是null，那么表示的ClassLoader就是Bootstrap ClassLoader。

另外要说很重要的一点，反编译一下rt.jar，找到sun.misc.Launcher看一下Application ClassLoader的实现：

 1 static class AppClassLoader extends URLClassLoader
 2   {
 3     public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader paramClassLoader)
 4       throws IOException
 5     {
 6       String str = System.getProperty("java.class.path");
 7       final File[] arrayOfFile = str == null ? new File[0] : Launcher.getClassPath(str);
 8       return (ClassLoader)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction()
 9       {
10         public Launcher.AppClassLoader run()
11         {
12           URL[] arrayOfURL = this.val$s == null ? new URL[0] : Launcher.pathToURLs(arrayOfFile);
13           return new Launcher.AppClassLoader(arrayOfURL, paramClassLoader);
14         }
15       });
16     }

重点就在第6行，Application ClassLoader只会加载java.class.path下的.class文件，java.class.path代表的是什么路径？打印一下：

Application ClassLoader只能加载项目bin目录下的.class文件。

双亲委派模型

最后讲一下双亲委派模型，其实上面的类加载器模型图就是一个双亲委派模式的图，这里把它再讲清楚一点。

双亲委派模型是在JDK1.2期间被引入的，其工作过程可以分为两步：

1、如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先把这个类加载的请求委派给它的父类加载器去完成而不是自己去尝试加载这个类，每一个层次的类加载器都是如此。因此所有的类加载请求最终都会传送到顶层的启动类加载器中。

2、只有当父加载器反馈说自己无法完成这这个加载请求（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。

双亲委派模型是JVM的第一道安全防线，它保证了类的安全加载，这里同时依赖了类加载器隔离的原理：不同类加载器加载的类之间是无法直接交互的，即使是同一个类，被不同的ClassLoader加载，它们也无法感知到彼此的存在。这样即使有恶意的类冒充自己在核心包（例如java.lang）下，由于它无法被启动类加载器加载，也造成不了危害。 
由此也可见，如果用户自定义了类加载器，那就必须自己保障类加载过程中的安全。

所以，其实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。双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作很重要。例如类java.lang.Object，存放于rt.jar中，无论哪一个类加载器要去加载这个类，最终都是由顶层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，如果没有双亲委派模型，由各个类加载器自己去加载的话，如果用户自己编写了一个java.lang.Object，并放在程序的CLASSPATH下，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java体系中最基础的行为也将无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。

双亲委派模型对于保证Java 程序的稳定性很重要，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() 方法中：先检查类是否被家再过，若没有则调用父加载器的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。如果父加载器失败，抛出 ClassNotFoundException 异常后，再调用自己的 finClass() 方法进行加载。

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
            throws ClassNotFoundException {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先检查类是否已经被加载过
            Class c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        // 调用父加载器加载
                        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;
        }
    }