[深入理解Java虚拟机]类加载器
类加载器
Java虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的通过一个类的全限定名来获取描述该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的类。实现这个动 作的代码被称为类加载器(Class Loader)。 类加载器可以说是Java语言的一项创新,它是早期Java语言能够快速流行的重要原因之一。类加载 器最初是为了满足Java Applet的需求而设计出来的,在今天用在浏览器上的Java Applet技术基本上已 经被淘汰[1],但类加载器却在类层次划分、OSGi、程序热部署、代码加密等领域大放异彩,成为Java 技术体系中一块重要的基石,可谓是失之桑榆,收之东隅。
[1] 特指浏览器上的Java Applets,在其他领域,如智能卡上,Java Applets仍然有很广阔的市场。
类与类加载器#
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超类加载阶段。对于任意一个类,都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在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。这句话可以表达得更通俗一些: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Java虚拟机加载,只要加载它们的类加载器不同,那这两个类就必定不相等。 这里所指的相等,包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance() 方法的返回结果,也包括了使用instanceof关键字做对象所属关系判定等各种情况。如果没有注意到类 加载器的影响,在某些情况下可能会产生具有迷惑性的结果,代码清单7-8中演示了不同的类加载器对 instanceof关键字运算的结果的影响。
代码清单7-8
不同的类加载器对instanceof关键字运算的结果的影响
/**
* 类加载器与instanceof关键字演示 *
* @author zzm
*/
public class ClassLoaderTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
@Override
public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1)+".class";
InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
if (is == null) {
return super.loadClass(name);
}
byte[] b = new byte[is.available()]; is.read(b);
return defineClass(name, b, 0, b.length);
} catch (IOException e) {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
}
};
Object obj = myLoader.loadClass("org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest").newInstance();
System.out.println(obj.getClass());
System.out.println(obj instanceof org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest);
}
}
运行结果: class org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest false
代码清单7-8中构造了一个简单的类加载器,尽管它极为简陋,但是对于这个演示来说已经足够。 它可以加载与自己在同一路径下的Class文件,我们使用这个类加载器去加载了一个名为org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest的类,并实例化了这个类的对象。 两行输出结果中,从第一行可以看到这个对象确实是类org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest实 例化出来的,但在第二行的输出中却发现这个对象与类org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest做所属 类型检查的时候返回了false。这是因为Java虚拟机中同时存在了两个ClassLoaderTest类,一个是由虚拟 机的应用程序类加载器所加载的,另外一个是由我们自定义的类加载器加载的,虽然它们都来自同一 个Class文件,但在Java虚拟机中仍然是两个互相独立的类,做对象所属类型检查时的结果自然为 false。
双亲委派模型#
站在Java虚拟机的角度来看,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),这个类加载器使用C++语言实现[1],是虚拟机自身的一部分;另外一种就是其他所有 的类加载器,这些类加载器都由Java语言实现,独立存在于虚拟机外部,并且全都继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。 站在Java开发人员的角度来看,类加载器就应当划分得更细致一些。自JDK 1.2以来,Java一直保 持着三层类加载器、双亲委派的类加载架构,尽管这套架构在Java模块化系统出现后有了一些调整变 动,但依然未改变其主体结构,我们将在7.5节中专门讨论模块化系统下的类加载器。 本节内容将针对JDK 8及之前版本的Java来介绍什么是三层类加载器,以及什么是双亲委派模型。
对于这个时期的Java应用,绝大多数Java程序都会使用到以下3个系统提供的类加载器来进行加载。
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启动类加载器(Bootstrap Class Loader):前面已经介绍过,这个类加载器负责加载存放在 \lib目录,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的,而且是Java虚拟机能够识别的(按照文件名识别,如rt.jar、tools.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机的内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用,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去处理,那直接使用null代替即可,代码清单7-9展示的就是 java.lang.ClassLoader.getClassLoader()方法的代码片段,其中的注释和代码实现都明确地说明了以null值 来代表引导类加载器的约定规则。 代码清单7-9 ClassLoader.getClassLoader()方法的代码片段
/** 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. */ public ClassLoader getClassLoader() { ClassLoader cl = getClassLoader0(); if (cl == null) return null; SecurityManager sm = System.getSecurityManager(); if (sm != null) { ClassLoader ccl = ClassLoader.getCallerClassLoader(); if (ccl != null && ccl != cl && !cl.isAncestor(ccl)) { sm.checkPermission(SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION); } } return cl; }
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扩展类加载器(Extension Class Loader):这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 中以Java代码的形式实现的。它负责加载\lib\ext目录中,或者被java.ext.dirs系统变量所 指定的路径中所有的类库。根据扩展类加载器这个名称,就可以推断出这是一种Java系统类库的扩 展机制,JDK的开发团队允许用户将具有通用性的类库放置在ext目录里以扩展Java SE的功能,在JDK 9之后,这种扩展机制被模块化带来的天然的扩展能力所取代。由于扩展类加载器是由Java代码实现 的,开发者可以直接在程序中使用扩展类加载器来加载Class文件。
-
应用程序类加载器(Application Class Loader):这个类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystem ClassLoader()方法的返回值,所以有些场合中也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径 (ClassPath)上所有的类库,开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。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。
JDK 9之前的Java应用都是由这三种类加载器互相配合来完成加载的,如果用户认为有必要,还可 以加入自定义的类加载器来进行拓展,典型的如增加除了磁盘位置之外的Class文件来源,或者通过类 加载器实现类的隔离、重载等功能。这些类加载器之间的协作关系通常会如图7-2所示。 图7-2中展示的各种类加载器之间的层次关系被称为类加载器的双亲委派模型(Parents Delegation Model)。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外,其余的类加载器都应有自己的父类加载 器。不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承(Inheritance)的关系来实现的,而是通常使用 组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。 读者可能注意到前面描述这种类加载器协作关系时,笔者专门用双引号强调这是通常的协作关 系。类加载器的双亲委派模型在JDK 1.2时期被引入,并被广泛应用于此后几乎所有的Java程序中,但 它并不是一个具有强制性约束力的模型,而是Java设计者们推荐给开发者的一种类加载器实现的最佳 实践。
双亲委派模型的工作过程是:
如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己去尝试加 载这个类,而是把这个请求委派给父类加载器去完成,每一个层次的类加载器都是如此,因此所有的 加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中,只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请 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完成加载。
使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系,一个显而易见的好处就是Java中的类随着它的类 加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object,它存放在rt.jar之中,无论哪一 个类加载器要加载这个类,最终都是委派给处于模型最顶端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能够保证是同一个类。反之,如果没有使用双亲委派模型,都由各个 类加载器自行去加载的话,如果用户自己也编写了一个名为java.lang.Object的类,并放在程序的 ClassPath中,那系统中就会出现多个不同的Object类,Java类型体系中最基础的行为也就无从保证,应 用程序将会变得一片混乱。如果读者有兴趣的话,可以尝试去写一个与rt.jar类库中已有类重名的Java 类,将会发现它可以正常编译,但永远无法被加载运行[2]。
双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作极为重要,但它的实现却异常简单,用以实现双亲委 派的代码只有短短十余行,全部集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中,如代码清单7-10所 示。 代码清单7-10 双亲委派模型的实现
protected synchronized Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { // 首先,检查请求的类是否已经被加载过了 Class c = findLoadedClass(name); if (c == null) { try { if (parent != null) { c = parent.loadClass(name, false); } else { c = findBootstrapClassOrNull(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { // 如果父类加载器抛出ClassNotFoundException // 说明父类加载器无法完成加载请求 } if (c == null) { // 在父类加载器无法加载时 // 再调用本身的findClass方法来进行类加载 c = findClass(name); } } if (resolve) { resolveClass(c); } return c; }
这段代码的逻辑清晰易懂:先检查请求加载的类型是否已经被加载过,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。假如父类加载器加载失败, 抛出ClassNotFoundException异常的话,才调用自己的findClass()方法尝试进行加载。
[1] 这里只限于HotSpot,像MRP、Maxine这些虚拟机,整个虚拟机本身都是由Java编写的,自然Boot strap ClassLoader也是由Java语言而不是C++实现的。退一步说,除了HotSpot外的其他两个高性能虚拟 机JRockit和J9都有一个代表Bootstrap ClassLoader的Java类存在,但是关键方法的实现仍然是使用JNI回 调到C(而不是C++)的实现上,这个Bootstrap ClassLoader的实例也无法被用户获取到。在JDK 9以 后,HotSpot虚拟机也采用了类似的虚拟机与Java类互相配合来实现Bootstrap ClassLoader的方式,所以 在JDK 9后HotSpot也有一个无法获取实例的代表Bootstrap ClassLoader的Java类存在了。
[2] 即使自定义了自己的类加载器,强行用defineClass()方法去加载一个以java.lang开头的类也不会成 功。如果读者尝试这样做的话,将会收到一个由Java虚拟机内部抛出的java.lang.SecurityException: Prohibited package name:java.lang异常。
破坏双亲委派模型#
上文提到过双亲委派模型并不是一个具有强制性约束的模型,而是Java设计者推荐给开发者们的 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这个模型,但也有例外的情况,直到Java 模块化出现为止,双亲委派模型主要出现过3次较大规模被破坏的情况。
双亲委派模型的第一次被破坏其实发生在双亲委派模型出现之前——即JDK 1.2面世以前的远 古时代。由于双亲委派模型在JDK 1.2之后才被引入,但是类加载器的概念和抽象类 java.lang.ClassLoader则在Java的第一个版本中就已经存在,面对已经存在的用户自定义类加载器的代 码,Java设计者们引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协,为了兼容这些已有代码,无法再以技术 手段避免loadClass()被子类覆盖的可能性,只能在JDK 1.2之后的java.lang.ClassLoader中添加一个新的 protected方法findClass(),并引导用户编写的类加载逻辑时尽可能去重写这个方法,而不是在 loadClass()中编写代码。上节我们已经分析过loadClass()方法,双亲委派的具体逻辑就实现在这里面, 按照loadClass()方法的逻辑,如果父类加载失败,会自动调用自己的findClass()方法来完成加载,这样 既不影响用户按照自己的意愿去加载类,又可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的。
双亲委派模型的第二次被破坏是由这个模型自身的缺陷导致的,双亲委派很好地解决了各个类 加载器协作时基础类型的一致性问题(越基础的类由越上层的加载器进行加载),基础类型之所以被 称为基础,是因为它们总是作为被用户代码继承、调用的API存在,但程序设计往往没有绝对不变 的完美规则,如果有基础类型又要调用回用户的代码,那该怎么办呢? 这并非是不可能出现的事情,一个典型的例子便是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来完成加载(在JDK 1.3时加入到rt.jar的),肯定属于Java中很基础的类型 了。但JNDI存在的目的就是对资源进行查找和集中管理,它需要调用由其他厂商实现并部署在应用程 序的ClassPath下的JNDI服务提供者接口(Service Provider Interface,SPI)的代码,现在问题来了,启动类加载器是绝不可能认识、加载这些代码的,那该怎么办? 为了解决这个困境,Java的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setContext-ClassLoader()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 都没有设置过的话,那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。 有了线程上下文类加载器,程序就可以做一些舞弊的事情了。JNDI服务使用这个线程上下文类 加载器去加载所需的SPI服务代码,这是一种父类加载器去请求子类加载器完成类加载的行为,这种行 为实际上是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器,已经违背了双亲委派模型的一般性 原则,但也是无可奈何的事情。Java中涉及SPI的加载基本上都采用这种方式来完成,例如JNDI、 JDBC、JCE、JAXB和JBI等。不过,当SPI的服务提供者多于一个的时候,代码就只能根据具体提供 者的类型来硬编码判断,为了消除这种极不优雅的实现方式,在JDK 6时,JDK提供了 java.util.ServiceLoader类,以META-INF/services中的配置信息,辅以责任链模式,这才算是给SPI的加 载提供了一种相对合理的解决方案。 双亲委派模型的第三次被破坏是由于用户对程序动态性的追求而导致的,这里所说的动态 性指的是一些非常热门的名词:代码热替换(Hot Swap)、模块热部署(Hot Deployment)等。说 白了就是希望Java应用程序能像我们的电脑外设那样,接上鼠标、U盘,不用重启机器就能立即使用, 鼠标有问题或要升级就换个鼠标,不用关机也不用重启。对于个人电脑来说,重启一次其实没有什么 大不了的,但对于一些生产系统来说,关机重启一次可能就要被列为生产事故,这种情况下热部署就 对软件开发者,尤其是大型系统或企业级软件开发者具有很大的吸引力。 早在2008年,在Java社区关于模块化规范的第一场战役里,由Sun/Oracle公司所提出的JSR 294 [1]、JSR-277 [2]规范提案就曾败给以IBM公司主导的JSR-291(即OSGi R4.2)提案。尽管Sun/Oracle 并不甘心就此失去Java模块化的主导权,随即又再拿出Jigsaw项目迎战,但此时OSGi已经站稳脚跟, 成为业界事实上的Java模块化标准[3]。曾经在很长一段时间内,IBM凭借着OSGi广泛应用基础让 Jigsaw吃尽苦头,其影响一直持续到Jigsaw随JDK 9面世才算告一段落。而且即使Jigsaw现在已经是Java 的标准功能了,它仍需小心翼翼地避开OSGi运行期动态热部署上的优势,仅局限于静态地解决模块间 封装隔离和访问控制的问题,这部分内容笔者在7.5节中会继续讲解,现在我们先来简单看一看OSGi是 如何通过类加载器实现热部署的。 OSGi实现模块化热部署的关键是它自定义的类加载器机制的实现,每一个程序模块(OSGi中称为 Bundle)都有一个自己的类加载器,当需要更换一个Bundle时,就把Bundle连同类加载器一起换掉以实 现代码的热替换。在OSGi环境下,类加载器不再双亲委派模型推荐的树状结构,而是进一步发展为更 加复杂的网状结构,当收到类加载请求时,OSGi将按照下面的顺序进行类搜索:
1)将以java.*开头的类,委派给父类加载器加载。
2)否则,将委派列表名单内的类,委派给父类加载器加载。
3)否则,将Import列表中的类,委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。
4)否则,查找当前Bundle的ClassPath,使用自己的类加载器加载。
5)否则,查找类是否在自己的Fragment Bundle中,如果在,则委派给Fragment Bundle的类加载器 加载。 6)否则,查找Dynamic Import列表的Bundle,委派给对应Bundle的类加载器加载。 7)否则,类查找失败。 上面的查找顺序中只有开头两点仍然符合双亲委派模型的原则,其余的类查找都是在平级的类加 载器中进行的,关于OSGi的其他内容,笔者就不再展开了。
本节中笔者虽然使用了被破坏这个词来形容上述不符合双亲委派模型原则的行为,但这里被破 坏并不一定是带有贬义的。只要有明确的目的和充分的理由,突破旧有原则无疑是一种创新。正如 OSGi中的类加载器的设计不符合传统的双亲委派的类加载器架构,且业界对其为了实现热部署而带来 的额外的高复杂度还存在不少争议,但对这方面有了解的技术人员基本还是能达成一个共识,认为 OSGi中对类加载器的运用是值得学习的,完全弄懂了OSGi的实现,就算是掌握了类加载器的精粹。 [1] JSR-294:Improved Modularity Support in the Java Programming Language(Java编程语言中的改进模 块性支持)。 [2] JSR-277:Java Module System(Java模块系统)。 [3] 如果读者对Java模块化之争或者OSGi本身感兴趣,欢迎阅读笔者的另一本书《深入理解OSGi: Equinox原理、应用与最佳实践》。
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