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虚拟机类加载机制【双亲委派模型】

虚拟机类加载机制【双亲委派模型】

作者: 云芈山人 | 来源:发表于2021-08-03 23:52 被阅读0次

站在Java虚拟机角度来看,只存在两种不同的类加载器:

  1. 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):使用C++语言实现,虚拟机的一部分。
  2. 其他所有的类加载器:Java语言实现,独立存在于虚拟机外部,且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

站在Java开发人员角度来看,类加载器应当划分更细致一下。自JDK1.2以来,Java一直保持着三层类加载器、双亲委派的类加载架构。

以下内容基于JDK8及之前版本的Java。

  • 三层类加载器
    绝大多数Java程序都会使用到系统提供的3个类加载器来进行加载。

    1. 启动类加载器(Bootstrap Class Loader)
      负责加载存放在<JAVA_HOME>\lib目录,或被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的,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启动类加载器去处理,那直接使用null代替即可。
    2. 扩展类加载器 (Extension Class Loader)
      在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader中以Java代码的形式实现,负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中,或被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。
      这是一种Java系统类库的扩展机制,将具有通用性的类库放置在ext目录里以扩展Java SE的功能,在JDK9之后,这种扩展机制被模块化带来的天然的扩展能力所取代。由于是由Java代码实现,开发者可直接在程序中使用扩展类加载器来加载Class文件。
    3. 应用程序类加载器(Application Class Loader)
      由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystemClassLoader()方法的返回值,也称为“系统类加载器”。
      负责加载用户类路径(ClassPath)上所有的类库,可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。
  • 双亲委派模型
    JDK9之前的Java应用都由三种类加载器互相配合来完成加载,也可以加入自定义的类加载器来进行拓展,如增加除了磁盘位置以外的Class文件来源,或通过类加载器实现类的隔离、重载等功能。
    类加载器之间的协作关系“通常”如下:


    类加载器双亲委派模型.png

如图,各种类加载器之间的层次关系成为类加载器的“双亲委派模型(Parents Delegation Model)”。它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。这里的类加载器之间的父子关系一般不是继承(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。

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JDK1.2时期引入,并广泛应用于此后几乎所有的Java程序中,它不是强制性约束力的模型,而是推荐用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:
如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己加载,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(它搜索范围中没有找到所需的类)中,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,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,如类java.lang.Object,它存放在rt.jar之中,无论哪一种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加载的话,如果用户编写了一个名为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。

双亲委派模型对于保证Java程序的未定运行极为重要,但它的实现去异常简单,用以实现双亲委派的代码仅有短短十余行,全部集中在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;
        }
    }

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