jvm双亲委派机制详解

记录一下JVM的双亲委派机制学习记录。

类加载器种类

当我们运行某一个java类的main方法时，首先需要由java虚拟机的类加载器将我们要执行的main方法所在的class文件加载到jvm中，这里提到的类加载器大概有4种：

引导类加载器：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的核心类库，比如rt.jar、charsets.jar等
扩展类加载器：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR类包
应用程序类加载器：负责加载ClassPath路径下的类包，主要就是加载你自己写的那些类
自定义加载器：负责加载用户自定义路径下的类包。

每个类加载器加载的包路径都是不同的，有各自的职责。通过一下示例，可以看出每个类加载器加载的路径：

public class TestJDKClassLoader {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println();
        ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        ClassLoader extClassloader = appClassLoader.getParent();
        ClassLoader bootstrapLoader = extClassloader.getParent();
        System.out.println("the bootstrapLoader : " + bootstrapLoader);
        System.out.println("the extClassloader : " + extClassloader);
        System.out.println("the appClassLoader : " + appClassLoader);

        System.out.println();
        System.out.println("bootstrapLoader加载以下文件：");
        URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
            System.out.println(urls[i]);
        }

        System.out.println();
        System.out.println("extClassloader加载以下文件：");
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
        System.out.println();
        System.out.println("appClassLoader加载以下文件：");
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
    }
}

// 运行结果：
null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader

the bootstrapLoader : null
the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@330bedb4
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@14dad5dc

bootstrapLoader加载以下文件：
file:/D:/ProgramFiles/jdk1.8.0_45_64bit/jre/lib/resources.jar
file:/D:/ProgramFiles/jdk1.8.0_45_64bit/jre/lib/rt.jar
file:/D:/ProgramFiles/jdk1.8.0_45_64bit/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/D:/ProgramFiles/jdk1.8.0_45_64bit/jre/lib/jsse.jar
file:/D:/ProgramFiles/jdk1.8.0_45_64bit/jre/lib/jce.jar
file:/D:/ProgramFiles/jdk1.8.0_45_64bit/jre/lib/charsets.jar
file:/D:/ProgramFiles/jdk1.8.0_45_64bit/jre/lib/jfr.jar
file:/D:/ProgramFiles/jdk1.8.0_45_64bit/jre/classes

extClassloader加载以下文件：
D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\ext;C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext

appClassLoader加载以下文件：
D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\charsets.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\deploy.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\ext\cldrdata.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\ext\dnsns.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\ext\jaccess.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\ext\jfxrt.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\ext\localedata.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\ext\nashorn.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\ext\sunec.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\ext\zipfs.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\javaws.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\jce.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\jfr.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\jfxswt.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\jsse.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\management-agent.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\plugin.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\resources.jar;D:\ProgramFiles\jdk1.8.0_45_64bit\jre\lib\rt.jar;D:\Files\learn\tuling\jvm-demo\target\classes;D:\ProgramFiles\ideaIU-2021.3.3.win\lib\idea_rt.jar

Process finished with exit code 0

appClassLoader虽然打印的内容虽然很多，但它只需要加载target目录下的文件。

双亲委派机制

虽然基本只有4种类加载器，但这4种类加载器之间是存在一定的关联关系的。如下图：

jvm双亲委派机制详解

加载某个类时会先委托给父加载器寻找目标类，找不到再委托上层父类加载器加载，所有的父类加载器在自己的加载类路径下都找不到目标类，则在自己的类加载路径中寻找并载入目标类。

比如上面的TestJDKClassLoader，首先会委托应用程序类加载，应用程序类加载器则委托扩展类加载器加载，扩展类加载器则委托引导类加载器加载，引导类加载器在它的类加载路径下找不到TestJDKClassLoader.class文件，则向下委托扩展类加载器加载，扩展类加载器加载不到则委托应用程序类加载器自己加载，于是应用程序类加载器在target目录下找到并载入了TestJDKClassLoader.class文件。

我们来看下应用程序类加载器AppClassLoader加载类的双亲委派机制源码，AppClassLoader的loadClass方法最终会调用其父类ClassLoader的loadClass方法，该方法的大体逻辑如下：

首先，检查一下指定名称的类是否已经加载过，如果加载过了，就不需要再加载，直接
返回。
如果此类没有加载过，那么，再判断一下是否有父加载器；如果有父加载器，则由父加
载器加载（即调用parent.loadClass(name, false);）.或者是调用bootstrap类加载器来加
载。
如果父加载器及bootstrap类加载器都没有找到指定的类，那么调用当前类加载器的
findClass方法来完成类加载。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // First, check if the class has already been loaded
        // 检查当前类加载器是否已经找到
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                // 有无父类加载器
                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;
    }
}

为什么要设计双亲委派机制？

沙箱安全机制：自己写的java.lang.String.class类不会被加载，这样便可以防止核心
API库被随意篡改
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，保证被加载类的唯一性

例子：比如我们自己新建了一个java.lang.String类，我们看能不能加载成功。

package java.lang;

public class String {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("============自己的类加载器====");
    }
}

// 执行结果
错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
   public static void main(String[] args)
否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application

自定义类加载器

自定义类加载器只需要继承 java.lang.ClassLoader 类，该类有两个核心方法，一个是loadClass(String, boolean)，实现了双亲委派机制，还有一个方法是findClass，默认实现是空方法，所以我们自定义类加载器主要是重写findClass方法。

public class MyClassLoaderTest {
    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;

        public MyClassLoader(String classPath) {
            this.classPath = classPath;
        }

        private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name
                + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                //defineClass将一个字节数组转为Class对象，这个字节数组是class文件读取后最终的字节数组。
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，其中会把自定义类加载器的父加载器设置为应用程序类加载器AppClassLoader
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
        //D盘创建 test/com/hyz/jvm 几级目录，将User类的复制类User1.class丢入该目录
        Class clazz = classLoader.loadClass("com.hyz.jvm.User1");
//        Class clazz = classLoader.loadClass("java.lang.String");
        Object obj = clazz.newInstance();
        Method method = clazz.getDeclaredMethod("hello", null);
        method.invoke(obj, null);

        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

打破双亲委派机制

假如我们的target下有一个User类，但是我们的程序代码中需要去读取D:/test/com/hyz/jvm/User.class类，根据双亲委派机制，肯定是会加载到target下的User类的，要如何才能加载到D:/test下的User类呢？

那意味着我们需要去打破双亲委派机制。看AppClassLoader的类加载逻辑，主要逻辑在父类ClassLoader.loadClass()方法中，我们只需要在自定义的类加载器中重写该方法即可。主要修改逻辑：如果类型是com.hyz.jvm开头的类，则从自定义类加载器中去读取，否则委托给上层类加载器加载。

/**
 * 32 * 重写类加载方法，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载
 * 33 * @param name
 * 34 * @param resolve
 * 35 * @return
 * 36 * @throws ClassNotFoundException
 * 37
 */
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) {
            // If still not found, then invoke findClass in order
            // to find the class.
            long t1 = System.nanoTime();
            if (!name.startsWith("com.hyz.jvm")) {
                c = this.getParent().loadClass(name);
            } else {
                c = findClass(name);
            }
            // this is the defining class loader; record the stats
            sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
            sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

应用到打破双亲委派机制的实际应用场景是在Tomcat加载war包。比如war1用的是spring4版本，war2用的是spring5版本，那就意味着加载着2个war包不能用同一个类加载器实例，需要各自指定一个自定义的类加载器实例，各自去加载所需的spring版本库文件。

总结：双亲委派机制保证了核心类的安全，确保不会被修改，也保证了不会加载到重复的字节码文件。

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