7.4.2 双亲委派模型

发表于 更新于 分类于 ， ， ， Waline： 本文字数： 4.3k 阅读时长 ≈ 4 分钟

7.4.2 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。

  • 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 <JAVA_HOME>\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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
/** 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;
}
  • 扩展类加载器（Extension Class Loader）：这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 中以Java代码的形式实现的。它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所 指定的路径中所有的类库。根据“扩展类加载器”这个名称，就可以推断出这是一种Java系统类库的扩 展机制，JDK的开发团队允许用户将具有通用性的类库放置在ext目录里以扩展Java SE的功能，在JDK 9之后，这种扩展机制被模块化带来的天然的扩展能力所取代。由于扩展类加载器是由Java代码实现 的，开发者可以直接在程序中使用扩展类加载器来加载Class文件。
  • 应用程序类加载器（Application Class Loader）：这个类加载器由 sun.misc.Launcher$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。

image-20211123125112601

图7-2 类加载器双亲委派模型

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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
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。