說一說JVM雙親委派機制與Tomcat

雙親委派模型與JVM 類加載

講個故事:html

之前,愛搗鼓的小明忽然靈機一動,寫出了下面的代碼java

package java.lang;


public class String {
    //...複製真正String的其餘方法
    
    public boolean equals(Object anObject) {
        sendEmail(xxx);
        return equalsReal(anObject);
    }
    
    //...
}

這樣,只要引用java.lang.String的人,小明能隨時收到他的系統的相關信息,這簡直是個天才的注意。然而實施的時候卻發現,JVM並無加載這個類。緩存

這是爲何呢?tomcat

小明能想到的事情,JVM設計者也確定能想到。安全

雙親委派模型

上述故事純屬瞎編,不過,這確實是之前JVM存在的一個問題,這幾天看Tomcat源代碼的時候,發現頻繁出現ClassLoader爲何要用這個東西呢?微信

想要解答這個問題,得先了解一個定義:雙親委派模型。架構

這個詞第一次看見是在《深刻理解JVM》中,目的也是爲了解決上面所提出來的問題。app

在JVM中,存在三種類型的類加載器:框架

  • 啓動類(Bootstrap)加載器: 用於加載本地(Navicat)代碼類的加載器,它負責裝入%JAVA_HOME%/lib下面的類。因爲引導類加載器涉及到虛擬機本地實現細節,開發者沒法直接獲取到啓動類加載器的引用,因此不容許直接經過引用進行操做。
  • 標準擴展(Extension)類加載器:ExtClassLoader實現,負責加載%JAVA_HOME/lib/ext%或者系統變量java.ext.dir(可以使用System.out.println("java.ext.dir")查看)指定的類加載到內存中
  • 系統(System)類加載器:AppClassLoader實現,負責加載系統類(環境變量%CLASSPATH%)指定,默認爲當前路徑的類加載到內存中。

除去以上三種外,還有一種比較特殊的線程上下文類加載器。存在於Thread類中,通常使用方式爲new Thread().getContextClassLoader()jvm

能夠看出來,三種類型的加載器負責不一樣的模塊的加載。那怎麼才能保證我所使用的String就是JDK裏面的String呢?這就是雙親委派模型的功能了:

上面三種類加載器中,他們之間的關係爲:

也就是Bootstrap ClassLoader做爲Extension ClassLoader的父類,而Extension ClassLoader做爲Application ClassLoader的父類,Application ClassLoader是做爲User ClassLoader的父類的。

而雙親委派機制規定:當某個特定的類加載在接收到類加載的請求的時候,首先須要將加載任務委託給父類加載器,依次遞歸到頂層後,若是最高層父類可以找到須要加載的類,則成功返回,若父類沒法找到相關的類,則依次傳遞給子類。

補充:

  • 若是A類引用了B,則JVM將使用加載類A的加載器加載類B
  • 類加載器存在緩存,若是某個加載器之前成功加載過某個類後,再次接受到此類加載請求則直接返回,再也不向上傳遞加載請求
  • 能夠經過ClassLoader.loadClass()Class.ForName(xxx,true,classLoader)指定某個加載器加載類
  • 類類型由加載它的加載器和這個類自己共同決定,若是類加載器不一樣,類名相同,instanceof依然會返回false
  • 父加載器沒法加載子加載器可以加載的類

能夠看到,經過雙親委派機制,可以保證使用的類的安全性,而且能夠避免類重名的狀況下JVM存在多個相同的類名相同,字節碼不一樣的類。

回到剛開始講的故事,雖然小明自定義了String,包名也叫java.lang,可是當用戶使用String的時候,會由普通的Application ClassLoader加載java.lang.String,此時經過雙親委派,類加載請求會上傳給Application ClassLoader的父類,直到傳遞給Bootstrap ClassLoader,而此時,Bootstrap ClassLoader將在%JAVA_HOME%/lib中尋找java.lang.String而此時正好可以找到java.lang.String,加載成功,返回。所以小明本身寫的java.lang.String並無被加載。

能夠看見,若是真的想要實現小明的計劃,只能將小明本身編寫的java.lang.String這個class文件替換到%JAVA_HOME%/lib/rt.jar 中的String.class


自定義ClassLoader

到這裏,估計能明白爲何須要雙親委派模型了,而某些時候,咱們能夠看見許多框架都自定義了ClassLoader,經過自定義ClassLoader,咱們能夠作不少好玩的事情,好比:設計一個從指定路徑動態加載類的類加載器:

public class DiskClassLoader extends  ClassLoader {

    private String libPath;

    public DiskClassLoader(String path){
        libPath=path;
    }


    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try(FileInputStream fileInputStream=new FileInputStream(new File(libPath,getFileName(name)));
            BufferedInputStream bufferedInputStream=new BufferedInputStream(fileInputStream);
            ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream=new ByteArrayOutputStream()){

                    for (int len=0;(len=bufferedInputStream.read())!=-1;){
                    byteArrayOutputStream.write(len);
                }

            byte[] data=byteArrayOutputStream.toByteArray();
            return defineClass(name,data,0,data.length);
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
        return super.findClass(name);
    }

    private String getFileName(String name) {
        int index = name.lastIndexOf('.');
        if(index == -1){
            return name+".class";
        }else{
            return name.substring(index+1)+".class";
        }
    }
}

上面是一個簡單的例子,能夠看見想要自定義ClassLoader,只須要繼承ClassLoader,而後覆蓋findClass()方法便可,其中findClass()是負責獲取指定類的字節碼的,在獲取到字節碼後,須要手動調用defineClass()加載類。

ClassLoader類中,咱們能找到loadClass的源代碼:

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)       {
    
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {              
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }         

                if (c == null) {
                    
                    c = findClass(name);                 
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;   
    }

在刪減掉一些模板代碼後,咱們能夠看到loadClass()方法就是實現雙親委派的主要代碼:首先查看類是否有緩存,若是沒有,就調用父類的loadClass方法,讓父類去加載,若是父類加載失敗,則本身加載,若是本身加載失敗,那就返回null,注意:並無再找本身的子類去尋找類,也就是在哪裏發起的加載,就在哪裏結束。

這裏能夠看到,loadClass()方法並無被標記爲final的,也就是咱們依然能夠重載它的loadClass()方法,破壞本來的委派雙親模型。

破壞雙親委派機制

有些時候,雙親委派機制也會遇到一些問題,在介紹雙親委派機制的時候,我列舉了一些補充。而在一些JDK中,存在一些基礎API他們的加載由比較上層的加載器負責,這些API只是一些簡單的接口,而具體的實現可能會由其餘用戶本身實現,這個時候就存在一個問題,若是這些基礎的API須要調用/加載用戶的代碼的時候,會發現因爲父類沒法找到子類所能加載的類的緣由,調用失敗。

最典型的例子即是JNDI服務,JNDI服務是在JDK1.3的時候放入rt.jar中,而rt.jarBootstrap ClassLoader加載,JNDI的功能是對資源進行集中管理和查找,它須要調用獨立廠商實現部部署在應用程序的classpath下的JNDI接口提供者(SPI, Service Provider Interface)的代碼,但啓動類加載器不可能「認識」之些代碼,該怎麼辦?

這就須要用到最開始講的特殊的加載器:上下文類加載器

上下文類加載器的使用方式爲:Thread.currentThread().getContextClassLoader()

上下文類加載器是什麼意思呢?能夠看源碼,Thread初始化是經過本地方法currentThread();初始化的,而classLoader也正是經過currentThread初始化,currentThread指的是當前正在運行的線程。

而默認狀況下,啓動Launcher後,Launcher會將當前線程的上下文加載器設置爲Application ClassLoader

public Launcher() {
    ...
    try {
        this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
    } catch (IOException var9) {
        throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
    }
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
    ...
}

所以,上下文類加載器默認就是系統加載器,經過上下文加載器,更高級別的加載器即可以調用系統加載器加載一個類。

Tomcat 與類加載器

Tomcat做爲一個Web容器,會包含各類Web應用程序,而爲了使各個應用程序不互相干擾,至少須要達到如下要求:

  • 部署在同一個Web容器上的兩個Web應用程序所使用的Java類庫能夠實現相互隔離
  • 部署在同一個Web容器上的兩個Web應用程序所使用的Java類庫能夠相互共享
  • Web容器須要保證自身的安全不受Web應用程序所影響
  • 只是JSP的容器,須要支持熱部署功能

由於這些需求,因此在Tomcat中,類的加載不能使用簡單的ClassLoader來加載,而是須要自定義分級的ClassLoader

在Tomcat中,定義了3組目錄結構/common/*,/server/*/shared/*能夠存放Java類庫,另外還有Web應用程序自身的結構:/WEB-INF/*,而這幾級目錄結構分別對應了不一樣的加載器

  • common: 類庫能夠被Tomcat和全部Web應用程序共同使用
  • server: 類庫能夠被Tomcat使用,對其餘Web程序不可見
  • shared: 類庫能夠被全部的Web應用程序共同使用,但對Tomcat不可見
  • WEB-INF: 類庫僅僅能被自身Web應用程序使用

所以,須要支持以上結構,能夠經過自定義遵循雙親委派模型的ClassLoader來完成。

參考連接:

一看你就懂,超詳細java中的ClassLoader詳解

Java類加載機制與Tomcat類加載器架構

【JVM】淺談雙親委派和破壞雙親委派

關於Java類加載雙親委派機制的思考


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