双亲委托机制、Tomcat类加载机制

小灰灰 2022-03-08 09:42 272阅读 0赞

# **JVM中类加载器的树状层次结构** #

Java 中的类加载器大致可以分成两类，一类是系统提供的，另外一类则是由 Java 应用开发人员编写的。

### **启动类加载器（bootstrap class loader）：** ###

启动类加载器主要加载的是JVM自身需要的类，这个类加载使用C++语言实现的，是虚拟机自身的一部分，它负责将 <JAVA\_HOME>/lib路径下的核心类库或-Xbootclasspath参数指定的路径下的jar包加载到内存中。注意，由于虚拟机是按照文件名识别加载jar包的，如rt.jar，如果文件名不被虚拟机识别，即使把jar包丢到lib目录下也是没有作用的(出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类)。

### **扩展类加载器（extensions class loader）：** ###

扩展类加载器是指Sun公司(已被Oracle收购)实现的sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类，由Java语言实现的，是Launcher的静态内部类，它负责加载<JAVA\_HOME>/lib/ext目录下或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位路径中的类库，开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

### **应用程序类加载器（system class loader）：** ###

应用程序加载器是指 Sun公司实现的sun.misc.Launcher$AppClassLoader。它负责加载系统类路径java -classpath或-D java.class.path 指定路径下的类库，也就是我们经常用到的classpath路径，开发者可以直接使用系统类加载器，一般情况下该类加载是程序中默认的类加载器，通过ClassLoader.getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器。  
       在Java的日常应用程序开发中，类的加载几乎是由上述3种类加载器相互配合执行的，在必要时，我们还可以自定义类加载器，需要注意的是，Java虚拟机对class文件采用的是按需加载的方式，也就是说当需要使用该类时才会将它的class文件加载到内存生成class对象，而且加载某个类的class文件时，Java虚拟机采用的是双亲委派模式即把请求交由父类处理，它一种任务委派模式，下面我们进一步了解它。

### **自定义类加载器（custom class loader）：** ###

除了系统提供的类加载器以外，开发人员可以通过继承 java.lang.ClassLoader类的方式实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求。

## 为什么要用自定义类加载器 ##

有以下几个情景是值得我们花费时间实现自己的classLoader的:

*  我们需要的类不一定存放在已经设置好的classPath下(***有系统类加载器AppClassLoader加载的路径***)，对于***自定义路径***中的class类文件的加载，我们需要自己的ClassLoader
 *  有时我们不一定是从类文件中读取类，可能是从网络的输入流或数据库中读取类，这就需要做一些***加密和解密操作***，这就需要自己实现加载类的逻辑，当然其他的特殊处理也同样适用。
 *  可以定义类的实现机制，实现类的***热部署***,如***OSGi***中的bundle模块就是通过实现自己的ClassLoader实现的。

# 双亲委托机制 #

双亲委派模式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，请注意双亲委派模式中的父子关系并非通常所说的类继承关系，而是采用组合关系来复用父类加载器的相关代码，类加载器间的关系如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0ppblhZYW4_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

双亲委派模式是在Java 1.2后引入的，其工作原理的是，如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行，如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式，即每个儿子都很懒，每次有活就丢给父亲去干，直到父亲说这件事我也干不了时，儿子自己想办法去完成，这不就是传说中的实力坑爹啊？那么采用这种模式有啥用呢?

### 双亲委派模式优势 ###

采用双亲委派模式的是好处是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，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。其次是考虑到安全因素，java核心api中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Integer，而直接返回已加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。可能你会想，如果我们在classpath路径下自定义一个名为java.lang.SingleInterge类(该类是胡编的)呢？该类并不存在java.lang中，经过双亲委托模式，传递到启动类加载器中，由于父类加载器路径下并没有该类，所以不会加载，将反向委托给子类加载器加载，最终会通过系统类加载器加载该类。但是这样做是不允许，因为java.lang是核心API包，需要访问权限，强制加载将会报出如下异常

java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0ppblhZYW4_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

从图可以看出顶层的类加载器是ClassLoader类，它是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自ClassLoader（不包括启动类加载器），这里我们主要介绍ClassLoader中几个比较重要的方法。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0ppblhZYW4_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

### 类加载器间的关系 ###

我们进一步了解类加载器间的关系(并非指继承关系)，主要可以分为以下4点

*  启动类加载器，由C++实现，没有父类。
 *  扩展类加载器(ExtClassLoader)，由Java语言实现，父类加载器为null。
 *  应用程序类加载器(AppClassLoader)，由Java语言实现，父类加载器为ExtClassLoader。
 *  自定义类加载器，父类加载器肯定为AppClassLoader。

## ** 如何破坏双亲委任模型？** ##

刚刚我们说过，双亲委任模型不是一个强制性的约束模型，而是一个建议型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者模型，但也有例外，到目前为止，双亲委派模型有过3次大规模的“被破坏”的情况。  
        第一次：在双亲委派模型出现之前—–即JDK1.2发布之前。  
        第二次：是这个模型自身的缺陷导致的。我们说，双亲委派模型很好的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， 但没有绝对，如果基础类调用会用户的代码怎么办呢？

这不是没有可能的。一个典型的例子就是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JDK1.3时就放进去的rt.jar）,但它需要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的ClassPath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“这些代码啊。因为这些类不在rt.jar中，但是启动类加载器又需要加载。怎么办呢？

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多的话，那这个类加载器默认即使应用程序类加载器。

嘿嘿，有了线程上下文加载器，JNDI服务使用这个线程上下文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。但这无可奈何，Java中所有涉及SPI的加载动作基本胜都采用这种方式。例如JNDI， JDBC， JCE， JAXB， JBI等。

第三次：为了实现热插拔，热部署，模块化，意思是添加一个功能或减去一个功能不用重启，只需要把这模块连同类加载器一起换掉就实现了代码的热替换。

## **Tomcat 的类加载器是怎么设计的？** ##

**Tomcat 如果使用默认的类加载机制行不行？**

我们思考一下：Tomcat是个web容器， 那么它要解决什么问题：

*  1. 一个web容器可能需要部署两个应用程序，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，不能要求同一个类库在同一个服务器只有一份，因此要保证每个应用程序的类库都是独立的，保证相互隔离。
 *  2. 部署在同一个web容器中相同的类库相同的版本可以共享。否则，如果服务器有10个应用程序，那么要有10份相同的类库加载进虚拟机，这是扯淡的。
 *  3. web容器也有自己依赖的类库，不能与应用程序的类库混淆。基于安全考虑，应该让容器的类库和程序的类库隔离开来。
 *  4. web容器要支持jsp的修改，我们知道，jsp 文件最终也是要编译成class文件才能在虚拟机中运行，但程序运行后修改jsp已经是司空见惯的事情，否则要你何用？ 所以，web容器需要支持 jsp 修改后不用重启。

**再看看我们的问题：Tomcat 如果使用默认的类加载机制行不行？**

*  答案是不行的。为什么？我们看，第一个问题，如果使用默认的类加载器机制，那么是无法加载两个相同类库的不同版本的，默认的累加器是不管你是什么版本的，只在乎你的全限定类名，并且只有一份。第二个问题，默认的类加载器是能够实现的，因为他的职责就是保证唯一性。第三个问题和第一个问题一样。我们再看第四个问题，我们想我们要怎么实现jsp文件的热修改（楼主起的名字），jsp 文件其实也就是class文件，那么如果修改了，但类名还是一样，类加载器会直接取方法区中已经存在的，修改后的jsp是不会重新加载的。那么怎么办呢？我们可以直接卸载掉这jsp文件的类加载器，所以你应该想到了，每个jsp文件对应一个唯一的类加载器，当一个jsp文件修改了，就直接卸载这个jsp类加载器。重新创建类加载器，重新加载jsp文件。

**Tomcat设计图：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0ppblhZYW4_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

我们看到，前面3个类加载和默认的一致，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/*`（在tomcat 6之后已经合并到根目录下的lib目录下）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。

*  commonLoader：Tomcat最基本的类加载器，加载路径中的class可以被Tomcat容器本身以及各个Webapp访问；
 *  catalinaLoader：Tomcat容器私有的类加载器，加载路径中的class对于Webapp不可见；
 *  sharedLoader：各个Webapp共享的类加载器，加载路径中的class对于所有Webapp可见，但是对于Tomcat容器不可见；
 *  WebappClassLoader：各个Webapp私有的类加载器，加载路径中的class只对当前Webapp可见；

### **Tomcat类加载过程** ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0ppblhZYW4_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

当tomcat启动时，会创建几种类加载器：

**1、Bootstrap 引导类加载器**

加载JVM启动所需的类，以及标准扩展类（位于jre/lib/ext下）

**2、System 系统类加载器**

加载tomcat启动的类，比如bootstrap.jar，通常在catalina.bat或者catalina.sh中指定。位于CATALINA\_HOME/bin下。

**3、Common 通用类加载器**

加载tomcat使用以及应用通用的一些类，位于CATALINA\_HOME/lib下，比如servlet-api.jar

**4、webapp 应用类加载器**

每个应用在部署后，都会创建一个唯一的类加载器。该类加载器会加载位于 WEB-INF/lib下的jar文件中的class 和 WEB-INF/classes下的class文件。

**当应用需要到某个类时，则会按照下面的顺序进行类加载**：

1 使用bootstrap引导类加载器加载

2 使用system系统类加载器加载

3 使用应用类加载器在WEB-INF/classes中加载

4 使用应用类加载器在WEB-INF/lib中加载

5 使用common类加载器在CATALINA\_HOME/lib中加载

### 问题二：JDBC为什么要破坏双亲委派模型[\#][Link 1] ###

问题背景

在JDBC 4.0之后实际上我们不需要再调用Class.forName来加载驱动程序了，我们只需要把驱动的jar包放到工程的类加载路径里，那么驱动就会被自动加载。这个自动加载采用的技术叫做SPI，数据库驱动厂商也都做了更新。可以看一下jar包里面的META-INF/services目录，里面有一个java.sql.Driver的文件，文件里面包含了驱动的全路径名。

使用上，我们只需要通过下面一句就可以创建数据库的连接：

Connection con =    
                 DriverManager.getConnection(url , username , password ) ;

### 问题解答 ###

**        因为类加载器受到加载范围的限制，在某些情况下父类加载器无法加载到需要的文件，这时候就需要委托子类加载器去加载class文件。**

JDBC的Driver接口定义在JDK中，其实现由各个数据库的服务商来提供，比如MySQL驱动包。DriverManager 类中要加载各个实现了Driver接口的类，然后进行管理，但是DriverManager位于 $JAVA\_HOME中jre/lib/rt.jar 包，由BootStrap类加载器加载，而其Driver接口的实现类是位于服务商提供的 Jar 包，**根据类加载机制，当被装载的类引用了另外一个类的时候，虚拟机就会使用装载第一个类的类装载器装载被引用的类。**也就是说BootStrap类加载器还要去加载jar包中的Driver接口的实现类。我们知道，BootStrap类加载器默认只负责加载 $JAVA\_HOME中jre/lib/rt.jar 里所有的class，所以需要由子类加载器去加载Driver实现，这就破坏了双亲委派模型。

查看DriverManager类的源码，看到在使用DriverManager的时候会触发其静态代码块，调用 loadInitialDrivers() 方法，并调用ServiceLoader.load(Driver.class) 加载所有在META-INF/services/java.sql.Driver 文件里边的类到JVM内存，完成驱动的自动加载。

static {
            loadInitialDrivers();
            println("JDBC DriverManager initialized");
        }
    
        private static void loadInitialDrivers() {
    
            AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
                public Void run() {
    
                    ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
                    Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
    
                    try{
                        while(driversIterator.hasNext()) {
                            driversIterator.next();
                        }
                    } catch(Throwable t) {
                    // Do nothing
                    }
                    return null;
                }
            });
    
        }

这个子类加载器是通过 Thread.currentThread().getContextClassLoader() 得到的线程上下文加载器。

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[Link 1]: https://www.cnblogs.com/yueshutong/p/11430885.html#2585884865