前言

ava虛擬機(jī)（JVM）的類(lèi)加載機(jī)制是Java應(yīng)用中不可或缺的一部分。本文將詳細(xì)介紹JVM的雙親委派機(jī)制，并闡述各關(guān)鍵點(diǎn)。

一、什么是雙親委派機(jī)制

雙親委派機(jī)制（Parent-Delegate Model）是Java類(lèi)加載器中采用的一種類(lèi)加載策略。該機(jī)制的核心思想是：如果一個(gè)類(lèi)加載器收到了類(lèi)加載請(qǐng)求，默認(rèn)先將該請(qǐng)求委托給其父類(lèi)加載器處理。只有當(dāng)父級(jí)加載器無(wú)法加載該類(lèi)時(shí)，才會(huì)嘗試自行加載。

二、類(lèi)加載器與層級(jí)關(guān)系

Java中的類(lèi)加載器主要有如下三種：

• 啟動(dòng)類(lèi)加載器（Bootstrap ClassLoader）： 負(fù)責(zé)加載 %JAVA_HOME%/jre/lib 目錄下的核心Java類(lèi)庫(kù)如 rt.jar、charsets.jar 等。
• 擴(kuò)展類(lèi)加載器（Extension ClassLoader）： 負(fù)責(zé)加載 %JAVA_HOME%/jre/lib/ext 目錄下的擴(kuò)展類(lèi)庫(kù)。
• 應(yīng)用類(lèi)加載器（Application ClassLoader）： 負(fù)責(zé)加載用戶(hù)類(lèi)路徑（ClassPath）下的應(yīng)用程序類(lèi)。

這三種類(lèi)加載器之間存在父子層級(jí)關(guān)系。啟動(dòng)類(lèi)加載器是最高級(jí)別的加載器，沒(méi)有父加載器；擴(kuò)展類(lèi)加載器的父加載器是啟動(dòng)類(lèi)加載器；應(yīng)用類(lèi)加載器的父加載器是擴(kuò)展類(lèi)加載器。

  除了以上三個(gè)內(nèi)置類(lèi)加載器，用戶(hù)還可以通過(guò)繼承 java.lang.ClassLoader 類(lèi)自定義類(lèi)加載器，根據(jù)實(shí)際需求處理類(lèi)加載請(qǐng)求。

三、雙親委派機(jī)制作用及如何破環(huán)機(jī)制

通過(guò)上述兩塊內(nèi)容，我們對(duì)雙親委派機(jī)制、加載流程及層級(jí)有了一些了解，這時(shí)我們不妨拋出幾個(gè)疑問(wèn)。

• 為什么需要雙親委派
• 雙親委派機(jī)制有哪些優(yōu)缺點(diǎn)
• 如何打破這個(gè)機(jī)制
• 有哪些工具選擇了破壞機(jī)制。

為什么需要雙親委派

1. 通過(guò)雙親委派機(jī)制，可以避免類(lèi)的重復(fù)加載，當(dāng)父加載器已經(jīng)加載過(guò)某一個(gè)類(lèi)時(shí)，子加載器就不會(huì)再重新加載這個(gè)類(lèi)。

2. 通過(guò)雙親委派機(jī)制，可以保證安全性。因?yàn)锽ootstrapClassLoader在加載的時(shí)候，只會(huì)加載JAVA_HOME中的jar包里面的類(lèi)，如java.lang.String，那么這個(gè)類(lèi)是不會(huì)被隨意替換的。

那么，就可以避免有人自定義一個(gè)有破壞功能的java.lang.String被加載。這樣可以有效的防止核心Java API被篡改。

這是在JDK1.8的java.lang.ClassLoader類(lèi)中的源碼，這個(gè)方法就是用于加載指定的類(lèi)。

實(shí)現(xiàn)雙親委派機(jī)制 的代碼也都集中在這個(gè)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;
        }
    }

通過(guò)以上代碼得出結(jié)論：

• 當(dāng)類(lèi)加載器接收到類(lèi)加載的請(qǐng)求時(shí)，首先檢查該類(lèi)是否已經(jīng)被當(dāng)前類(lèi)加載器加載；
• 若該類(lèi)未被加載過(guò)，當(dāng)前類(lèi)加載器會(huì)將加載請(qǐng)求委托給父類(lèi)加載器去完成；
• 若當(dāng)前類(lèi)加載器的父類(lèi)加載器為null，會(huì)委托啟動(dòng)類(lèi)加載器完成加載；
• 若父類(lèi)加載器無(wú)法完成類(lèi)的加載，當(dāng)前類(lèi)加載器才會(huì)去嘗試加載該類(lèi)。

雙親委派機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

• 避免重復(fù)加載：由于類(lèi)加載器直接從父類(lèi)加載器那里加載類(lèi)，避免了類(lèi)的重復(fù)加載。
• 提高安全性：通過(guò)雙親委派模型，Java 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的核心類(lèi)庫(kù)（如 java.lang.*）由啟動(dòng)類(lèi)加載器加載，這樣能保證這些核心類(lèi)庫(kù)不會(huì)被惡意代碼篡改或替換，從而提高程序的安全性。
• 保持類(lèi)加載的一致性：這種方式確保了同一個(gè)類(lèi)的加載由同一個(gè)類(lèi)加載器完成，從而在運(yùn)行時(shí)保證了類(lèi)型的唯一性和相同性。這也有助于減輕類(lèi)加載器在處理相互關(guān)聯(lián)的類(lèi)時(shí)的復(fù)雜性。

缺點(diǎn)：

• 靈活性降低：由于類(lèi)加載的過(guò)程需要不斷地委托給父類(lèi)加載器，這種機(jī)制可能導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中類(lèi)加載的靈活性降低。
• 增加了類(lèi)加載時(shí)間：在類(lèi)加載的過(guò)程中，需要不斷地查詢(xún)并委托父類(lèi)加載器，這意味著類(lèi)加載所需要的時(shí)間可能會(huì)增加。在類(lèi)數(shù)量龐大或類(lèi)加載器層次比較深的情況下，這種時(shí)間延遲可能會(huì)變得更加明顯。

如何打破這個(gè)機(jī)制

既然上述文章中我們已經(jīng)知道了雙親委派的實(shí)現(xiàn)方式，那么如何打破這個(gè)機(jī)制呢。

想要破壞這種機(jī)制，那么就需要自定義一個(gè)類(lèi)加載器，繼承ClassLoader類(lèi)重寫(xiě)其中的loadClass方法，使其不進(jìn)行雙親委派即可。

寫(xiě)個(gè)示例

import java.lang.reflect.Method;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;
public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    // 自定義類(lèi)加載器必須提供一個(gè)加載類(lèi)文件的位置
    private String classesPath;
    public CustomClassLoader(String classesPath, ClassLoader parent) {
        super(parent);
        this.classesPath = classesPath;
    }
    @Override
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        //首先,檢查已加載的類(lèi)
        Class<?> loadedClass = findLoadedClass(name);
        if (loadedClass == null) {
            // 如果已加載類(lèi)中沒(méi)有該類(lèi), 嘗試用自定義的方法加載
            try {
                loadedClass = findClassInPath(name);
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // 如果自定義加載方法找不到類(lèi),則委托給父類(lèi)加載器
                loadedClass = super.loadClass(name, resolve);
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(loadedClass);
        }
        return loadedClass;
    }
    private Class<?> findClassInPath(String className) throws ClassNotFoundException {
        try {
            String filePath = className.replace('.', '/') + ".class";
            byte[] classBytes = Files.readAllBytes(Paths.get(classesPath, filePath));
            return defineClass(className, classBytes, 0, classBytes.length);
        } catch (Exception e) {
            throw new ClassNotFoundException("Class not found in classes path: " + className, e);
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String pathToClasses = "/path/to/your/classes";
        String className = "com.example.SampleClass";
        String methodName = "sampleMethod";
        // 創(chuàng)建自定義類(lèi)加載器實(shí)例，將類(lèi)的加載權(quán)交給它
        CustomClassLoader customClassLoader = new CustomClassLoader(pathToClasses, CustomClassLoader.class.getClassLoader());
        // 使用自定義類(lèi)加載器加載類(lèi)
        Class<?> customClass = customClassLoader.loadClass(className);
        // 創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例并調(diào)用方法
        Object obj = customClass.newInstance();
        Method method = customClass.getDeclaredMethod(methodName);
        method.setAccessible(true);
        method.invoke(obj);
    }
}

上面的示例代碼中，我們重寫(xiě)了 loadClass 方法，先嘗試通過(guò) findClassInPath 從指定的路徑加載類(lèi)，如果無(wú)法加載就委托給父類(lèi)加載器。這樣，我們就實(shí)現(xiàn)了打破雙親委派機(jī)制的自定義類(lèi)加載器。

以下是代碼的詳細(xì)解析：

• 自定義類(lèi)加載器 CustomClassLoader 繼承 Java ClassLoader 類(lèi)。
• 在類(lèi)加載器的構(gòu)造方法中設(shè)置自定義類(lèi)加載器的類(lèi)路徑 classesPath 和父加載器 parent。
• 重寫(xiě) loadClass 方法。首先檢查已加載的類(lèi)，如果已加載則返回。否則嘗試用自定義的方法在 classesPath 中加載類(lèi)。如果自定義加載方法找不到類(lèi)，則委托給父類(lèi)加載器。
• 實(shí)現(xiàn)名為 findClassInPath 的自定義加載方法。這個(gè)方法使用類(lèi)名 className 在 classesPath 指定的目錄下查找對(duì)應(yīng)的 .class 文件，然后將文件內(nèi)容讀取為字節(jié)數(shù)組并調(diào)用 defineClass 方法，將其轉(zhuǎn)換為 Java 類(lèi)的 Class 對(duì)象。如果類(lèi)不存在或出現(xiàn)其他錯(cuò)誤，會(huì)拋出 ClassNotFoundException 異常。
• 在 main 方法中，創(chuàng)建一個(gè) CustomClassLoader 類(lèi)的實(shí)例。將類(lèi)的加載任務(wù)交給自定義類(lèi)加載器，指定加載路徑和要加載的類(lèi)。
• 使用自定義類(lèi)加載器加載目標(biāo)類(lèi)，創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例，并調(diào)用指定方法。

有哪些工具選擇了破壞機(jī)制

既然在上文中，我們已經(jīng)清楚怎么打破雙親機(jī)制，那么有哪些工具選擇了破壞機(jī)制呢？為什么？

• OSGi（Open Service Gateway Initiative）：OSGi 是一個(gè)模塊化系統(tǒng)和服務(wù)平臺(tái)，提供了一個(gè)強(qiáng)大的類(lèi)加載器模型。在 OSGi 中，每個(gè)模塊都有一個(gè)獨(dú)立的類(lèi)加載器，可以按需加載來(lái)自不同模塊的類(lèi)。這有助于解決 JAR 地獄問(wèn)題，提高模塊化和動(dòng)態(tài)更新能力。
• Tomcat Web容器：Tomcat 的 Web 應(yīng)用類(lèi)加載器可以加載 Web 應(yīng)用程序中的本地類(lèi)庫(kù)，從而使得每個(gè) Web 應(yīng)用程序可以使用各自的版本的類(lèi)庫(kù)。這些 Web 應(yīng)用的類(lèi)加載器都是${tomcat-home}/lib 中類(lèi)庫(kù)的子類(lèi)加載器。
• Java Agent: Java Agent 是一種基于 Java Instrumentation API 的技術(shù)，它可以在運(yùn)行時(shí)修改已加載的類(lèi)的字節(jié)碼，從而實(shí)現(xiàn)類(lèi)的熱替換、AOP（面向切面編程）等功能。這種技術(shù)在諸如熱部署、性能監(jiān)控和分布式追蹤等場(chǎng)景中有廣泛應(yīng)用。
• JDK 中的 URLClassLoader：JDK 自帶的 URLClassLoader 可以用來(lái)加載指定 URL 路徑下的類(lèi)。實(shí)際上，它實(shí)現(xiàn)了一種子類(lèi)優(yōu)先的策略，先嘗試加載自身路徑下的類(lèi)，再委托給父類(lèi)加載器，從而打破了雙親委派機(jī)制。

這些工具和技術(shù)之所以要打破雙親委派機(jī)制，主要是出于以下原因：

• 實(shí)現(xiàn)模塊化和動(dòng)態(tài)更新：例如 OSGi，通過(guò)獨(dú)立的類(lèi)加載器實(shí)現(xiàn)不同模塊間解耦，并支持模塊的動(dòng)態(tài)卸載和更新。
• 解決類(lèi)庫(kù)版本沖突（JAR地獄問(wèn)題）：在復(fù)雜系統(tǒng)中，不同模塊可能依賴(lài)不同版本的類(lèi)庫(kù)。為避免版本沖突，可使用獨(dú)立的類(lèi)加載器，使它們分別加載各自的類(lèi)庫(kù)版本。
• 運(yùn)行時(shí)修改類(lèi)：Java Agent 可以在運(yùn)行時(shí)修改類(lèi)字節(jié)碼，從而支持熱替換、AOP 和性能監(jiān)控等功能。
• 支持 Web 應(yīng)用程序的獨(dú)立部署和更新：例如 Tomcat，可以為每個(gè) Web 應(yīng)用程序分配一個(gè)獨(dú)立的類(lèi)加載器，實(shí)現(xiàn)各自部署與更新。

需要注意的是，打破雙親委派機(jī)制可能會(huì)帶來(lái)類(lèi)加載沖突、安全性和性能等問(wèn)題，因此在實(shí)際應(yīng)用中要謹(jǐn)慎使用。

四、總結(jié)

本文介紹了JVM的雙親委派機(jī)制，包括概念、類(lèi)加載器層級(jí)關(guān)系、雙親委派流程及實(shí)例分析等方面的內(nèi)容。雙親委派機(jī)制可以確保Java應(yīng)用類(lèi)型安全，同時(shí)避免類(lèi)加載沖突。在某些特定場(chǎng)景下，我們可以通過(guò)自定義類(lèi)加載器對(duì)類(lèi)加載策略進(jìn)行調(diào)整，以滿(mǎn)足應(yīng)用特性和性能需求。

以上就是Java雙親委派機(jī)制全面分析講解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java雙親委派機(jī)制的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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