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类加载器

简介: 虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现,以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。
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虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现,以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。但类加载器在类层次划分OSGi热部署代码加密等领域大放异彩,成为了Java技术体系中一块重要的基石。

类与类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作,但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。对于任意一个类,都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性,每一个类加载器,都拥有一个独立的类名称空间。这句话可以表达得更通俗一些:比较两个类是否“相等”,只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义,否则,即使这两个类来源于同一个Class文件,被同一个虚拟机加载,只要加载它们的类加载器不同,那这两个类就必定不相等。

ps:这里所指的“相等”,包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果,也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。如果没有注意到类加载器的影响,在某些情况下可能会产生具有迷惑性的结果。

java.lang.ClassLoader 类提供的几个关键方法

loadClass: 此方法负责加载指定名字的类,首先会从已加载的类中去寻找,如果没有找到;从parent ClassLoader[ExtClassLoader]中加载;如果没有加载到,则从Bootstrap ClassLoader中尝试加载(findBootstrapClassOrNull方法), 如果还是加载失败,则抛出ClassNotFoundException异常。在调用自己的findClass方法进行加载。如果要改变类的加载顺序可以覆盖此方法;如果加载顺序相同,则可以通过覆盖findClass方法来做特殊处理,例如:解密,固定路径寻找等。当通过整个寻找类的过程仍然未获取Class对象,则抛出ClassNotFoundException异常。

findLoadedClass 此方法负责从当前ClassLoader实例对象的缓存中寻找已加载的类,调用的为native方法。

findClass 此方法直接抛出ClassNotFoundException异常,因此要通过覆盖loadClass或此方法来以自定义的方式加载相应的类。

findSystemClass  此方法是从sun.misc.Launcher$AppClassLoader中寻找类,如果未找到,则继续从BootstrapClassLoader中寻找,如果仍然未找到,返回null。

defineClass 此方法负责将二进制字节流转换为Class对象,这个方法对于自定义类加载器而言非常重要。如果二进制的字节码的格式不符合jvm class文件格式规范,则抛出ClassFormatError异常;如果生成的类名和二进制字节码不同,则抛出NoClassDefFoundError;如果加载的class是受保护的、采用不同签名的,或者类名是以java.开头的,则抛出SecurityException异常。

resolveClass 此方法负责完成Class对象的链接,如果链接过,则直接返回。

相关异常

ClassNotFoundException  这是最常见的异常,产生这个异常的原因为在当前的ClassLoader 中加载类时,未找到类文件,

NoClassDefFoundError  这个异常是因为  加载到的类中引用到的另外类不存在,例如要加载A,而A中盗用了B,B不存在或当前的ClassLoader无法加载B,就会抛出这个异常。

LinkageError 该异常在自定义ClassLoader的情况下更容易出现,主要原因是此类已经在ClassLoader加载过了,重复的加载会造成该异常。

双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来讲,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,是虚拟机自身的一部分;另一种就是所有其他的类加载器,这些类加载器都由Java语言实现,独立于虚拟机外部,并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

从Java开发人员的角度来看,类加载器还可以划分得更细致一些,绝大部分Java程序都会使用到以下3种系统提供的类加载器。

  1. 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):这个类将器负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中的,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的,并且是虚拟机识别的(仅按照文件名识别,如rt.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,那直接使用null代替即可
  2. 扩展类加载器(Extension ClassLoader):这个加载器由sun.misc.Launcher $ExtClassLoader实现,它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的,或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库,开发者可以直接使用扩展类加载器。
  3. 应用程序类加载器(Application ClassLoader):这个类加载器由sun.misc.Launcher $AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值,所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径(ClassPath)上所指定的类库,开发者可以直接使用这个类加载器,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。

我们的应用程序都是由这3种类加载器互相配合进行加载的,如果有必要,还可以加入自己定义的类加载器。

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当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承(Inheritance)的关系来实现,而是都使用组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。 

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加载。

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系,有一个显而易见的好处就是Java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是同一个类。相反,如果没有使用双亲委派模型,由各个类加载器自行去加载的话,如果用户自己编写了一个称为java.lang.Object的类,并放在程序的ClassPath中,那系统中将会出现多个不同的Object类,Java类型体系中最基础的行为也就无法保证,应用程序也将会变得一片混乱。如果有兴趣的话,可以尝试去编写一个与rt.jar类库中已有类重名的Java类,将会发现可以正常编译,但永远无法被加载运行。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。如果尝试这样做的话,将会收到一个由虚拟机自己抛出的“java.lang.SecurityException:Prohibited package name:java.lang”异常。 

双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作很重要,但它的实现却非常简单,实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中,逻辑清晰易懂:先检查是否已经被加载过,若没有加载则调用父加载器的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。如果父类加载失败,抛出ClassNotFoundException异常后,再调用自己的findClass()方法进行加载。

破坏双亲委派模型

双亲委派模型并不是一个强制性的约束模型,而是Java设计者推荐给开发者的类加载器实现方式。在Java的世界中大部分的类加载器都遵循这个模型,但也有例外,到目前为止,双亲委派模型主要出现过3较大规模的“被破坏”情况。

第一次被破坏

双亲委派模型的第一次“被破坏”其实发生在双亲委派模型出现之前——即JDK 1.2发布之前。由于双亲委派模型在JDK 1.2之后才被引入,而类加载器和抽象类java.lang.ClassLoader则在JDK 1.0时代就已经存在,面对已经存在的用户自定义类加载器的实现代码,Java设计者引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协。为了向前兼容,JDK 1.2之后的java.lang.ClassLoader添加了一个新的protected方法findClass(),在此之前,用户去继承java.lang.ClassLoader的唯一目的就是为了重写loadClass()方法,因为虚拟机在进行类加载的时候会调用加载器的私有方法loadClassInternal(),而这个方法的唯一逻辑就是去调用自己的loadClass()。双亲委派的具体逻辑就实现在这个方法之中,JDK 1.2之后已不提倡用户再去覆盖loadClass()方法,而应当把自己的类加载逻辑写到findClass()方法中,在loadClass()方法的逻辑里如果父类加载失败,则会调用自己的findClass()方法来完成加载,这样就可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的。

第二次被破坏

双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷所导致的,双亲委派很好地解决了各个类加载器的基础类的统一问题(越基础的类由越上层的加载器进行加载),基础类之所以称为“基础”,是因为它们总是作为被用户代码调用的API,但世事往往没有绝对的完美,如果基础类又要调用回用户的代码,那该怎么办?

这并非是不可能的事情,一个典型的例子便是JNDI服务,JNDI现在已经是Java的标准服务,它的代码由启动类加载器去加载(在JDK 1.3时放进去的rt.jar),但JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找,它需要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI接口提供者(SPI,Service Provider Interface)的代码,但启动类加载器不可能“认识”这些代码啊!那该怎么办?

为了解决这个问题,Java设计团队只好引入了一个不太优雅的设计:线程上下文类加载器(Thread Context ClassLoader)。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoaser()方法进行设置,如果创建线程时还未设置,它将会从父线程中继承一个,如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话,那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

有了线程上下文类加载器,就可以做一些“舞弊”的事情了,JNDI服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需要的SPI代码,也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作,这种行为实际上就是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器,实际上已经违背了双亲委派模型的一般性原则,但这也是无可奈何的事情。Java中所有涉及SPI的加载动作基本上都采用这种方式,例如JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等。

第三次被破坏

第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的,这里所说的“动态性”指的是当前一些非常“热门”的名词:代码热替换(HotSwap)、模块热部署(Hot Deployment)等,说白了就是希望应用程序能像我们的计算机外设那样,接上鼠标、U盘,不用重启机器就能立即使用,鼠标有问题或要升级就换个鼠标,不用停机也不用重启。对于个人计算机来说,重启一次其实没有什么大不了的,但对于一些生产系统来说,关机重启一次可能就要被列为生产事故,这种情况下热部署就对软件开发者,尤其是企业级软件开发者具有很大的吸引力。

OSGi实现模块化热部署的关键则是它自定义的类加载器机制的实现。每一个程序模块(OSGi中称为Bundle)都有一个自己的类加载器,当需要更换一个Bundle时,就把Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。

在OSGi环境下,类加载器不再是双亲委派模型中的树状结构,而是进一步发展为更加复杂的网状结构,当收到类加载请求时,OSGi将按照下面的顺序进行类搜索:

1)将以java.*开头的类委派给父类加载器加载。

2)否则,将委派列表名单内的类委派给父类加载器加载。

3)否则,将Import列表中的类委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。

4)否则,查找当前Bundle的ClassPath,使用自己的类加载器加载。

5)否则,查找类是否在自己的Fragment Bundle中,如果在,则委派给Fragment Bundle的类加载器加载。

6)否则,查找Dynamic Import列表的Bundle,委派给对应Bundle的类加载器加载。

7)否则,类查找失败。

上面的查找顺序中只有开头两点仍然符合双亲委派规则,其余的类查找都是在平级的类加载器中进行的。

ps:虽然使用了“被破坏”这个词来形容上述不符合双亲委派模型原则的行为,但这里“被破坏”并不带有贬义的感情色彩。只要有足够意义和理由,突破已有的原则就可认为是一种创新。正如OSGi中的类加载器并不符合传统的双亲委派的类加载器,并且业界对其为了实现热部署而带来的额外的高复杂度还存在不少争议,但在Java程序员中基本有一个共识:OSGi中对类加载器的使用是很值得学习的。

Tomcat:正统的类加载器架构

主流的Java Web服务器,如Tomcat、Jetty、WebLogic、WebSphere或其他没有列举的服务器,都实现了自己定义的类加载器(一般都不止一个)。因为一个功能健全的Web服务器,要解决如下几个问题:

  1. 部署在同一个服务器上的两个Web应用程序所使用的Java类库可以实现相互隔离。这是最基本的需求,两个不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类库的不同版本,不能要求一个类库在一个服务器中只有一份,服务器应当保证两个应用程序的类库可以互相独立使用。
  2. 部署在同一个服务器上的两个Web应用程序所使用的Java类库可以互相共享。这个需求也很常见,例如,用户可能有10个使用Spring组织的应用程序部署在同一台服务器上,如果把10份Spring分别存放在各个应用程序的隔离目录中,将会是很大的资源浪费——这主要倒不是浪费磁盘空间的问题,而是指类库在使用时都要被加载到服务器内存,如果类库不能共享,虚拟机的方法区就会很容易出现过度膨胀的风险。
  3. 服务器需要尽可能地保证自身的安全不受部署的Web应用程序影响。目前,有许多主流的Java Web服务器自身也是使用Java语言来实现的。因此,服务器本身也有类库依赖的问题,一般来说,基于安全考虑,服务器所使用的类库应该与应用程序的类库互相独立。
  4. 支持JSP应用的Web服务器,大多数都需要支持HotSwap功能。我们知道,JSP文件最终要编译成Java Class才能由虚拟机执行,但JSP文件由于其纯文本存储的特性,运行时修改的概率远远大于第三方类库或程序自身的Class文件。而且ASP、PHP和JSP这些网页应用也把修改后无须重启作为一个很大的“优势”来看待,因此“主流”的Web服务器都会支持JSP生成类的热替换,当然也有“非主流”的,如运行在生产模式(Production Mode)下的WebLogic服务器默认就不会处理JSP文件的变化。

由于存在上述问题,在部署Web应用时,单独的一个ClassPath就无法满足需求了,所以各种Web服务器都“不约而同”地提供了好几个ClassPath路径供用户存放第三方类库,这些路径一般都以“lib”或“classes”命名。被放置到不同路径中的类库,具备不同的访问范围和服务对象,通常,每一个目录都会有一个相应的自定义类加载器去加载放置在里面的Java类库。

现在,以Tomcat 5.x服务器的目录和类加载器结构为例,在Tomcat 6.x的默认配置下,/common、/server和/shared三个目录已经合并到一起了,看一看Tomcat具体是如何规划用户类库结构和类加载器的。

在Tomcat目录结构中,有3组目录(“/common/*”、“/server/*”和“/shared/*”)可以存放Java类库,另外还可以加上Web应用程序自身的目录“/WEB-INF/*”,一共4组,把Java类库放置在这些目录中的含义分别如下:

放置在/common目录中:类库可被Tomcat和所有的Web应用程序共同使用。

放置在/server目录中:类库可被Tomcat使用,对所有的Web应用程序都不可见。

放置在/shared目录中:类库可被所有的Web应用程序共同使用,但对Tomcat自己不可见。

放置在/WebApp/WEB-INF目录中:类库仅仅可以被此Web应用程序使用,对Tomcat和其他Web应用程序都不可见。

为了支持这套目录结构,并对目录里面的类库进行加载和隔离,Tomcat自定义了多个类加载器,这些类加载器按照经典的双亲委派模型来实现,其关系如图所示

灰色背景的3个类加载器是JDK默认提供的类加载器,而CommonClassLoader、CatalinaClassLoader、SharedClassLoader和WebappClassLoader则是Tomcat自己定义的类加载器,它们分别加载/common/*、/server/*、/shared/*和/WebApp/WEB-INF/*中的Java类库。其中WebApp类加载器Jsp类加载器通常会存在多个实例,每一个Web应用程序对应一个WebApp类加载器每一个JSP文件对应一个Jsp类加载器

从图中可以看出,CommonClassLoader能加载的类都可以被CatalinaClassLoader和SharedClassLoader使用,而CatalinaClassLoader和SharedClassLoader自己能加载的类则与对方相互隔离。WebAppClassLoader可以使用SharedClassLoader加载到的类,但各个WebAppClassLoader实例之间相互隔离。而JasperLoader的加载范围仅仅是这个JSP文件所编译出来的那一个Class,它出现的目的就是为了被丢弃:当服务器检测到JSP文件被修改时,会替换掉目前的JasperLoader的实例,并通过再建立一个新的Jsp类加载器来实现JSP文件的HotSwap功能。

对于Tomcat的6.x版本,只有指定了tomcat/conf/catalina.properties配置文件的server.loader和share.loader项后才会真正建立CatalinaClassLoader和SharedClassLoader的实例,否则会用到这两个类加载器的地方都会用CommonClassLoader的实例代替,而默认的配置文件中没有设置这两个loader项,所以Tomcat 6.x顺理成章地把/common、/server和/shared三个目录默认合并到一起变成一个/lib目录,这个目录里的类库相当于以前/common目录中类库的作用。这是Tomcat设计团队为了简化大多数的部署场景所做的一项改进,如果默认设置不能满足需要,用户可以通过修改配置文件指定server.loader和share.loader的方式重新启用Tomcat 5.x的加载器架构。

Tomcat加载器的实现清晰易懂,并且采用了官方推荐的“正统”的使用类加载器的方式。前面曾经提到过一个场景,如果有10个Web应用程序都是用Spring来进行组织和管理的话,可以把Spring放到Common或Shared目录下让这些程序共享。Spring要对用户程序的类进行管理,自然要能访问到用户程序的类,而用户的程序显然是放在/WebApp/WEB-INF目录中的,那么被CommonClassLoader或SharedClassLoader加载的Spring如何访问并不在其加载范围内的用户程序呢?---模仿第二次被破坏(线程上下文加载器)

OSGi:灵活的类加载器架构

OSGi中的每个模块(称为Bundle)与普通的Java类库区别并不太大,两者一般都以JAR格式进行封装,并且内部存储的都是Java Package和Class。但是一个Bundle可以声明它所依赖的Java Package(通过Import-Package描述),也可以声明它允许导出发布的Java Package(通过Export-Package描述)。在OSGi里面,Bundle之间的依赖关系从传统的上层模块依赖底层模块转变为平级模块之间的依赖(至少外观上如此),而且类库的可见性能得到非常精确的控制,一个模块里只有被Export过的Package才可能由外界访问,其他的Package和Class将会隐藏起来。除了更精确的模块划分和可见性控制外,引入OSGi的另外一个重要理由是,基于OSGi的程序很可能(只是很可能,并不是一定会)可以实现模块级的热插拔功能,当程序升级更新或调试除错时,可以只停用、重新安装然后启用程序的其中一部分,这对企业级程序开发来说是一个非常有诱惑力的特性。

OSGi之所以能有上述“诱人”的特点,要归功于它灵活的类加载器架构。OSGi的Bundle类加载器之间只有规则,没有固定的委派关系。例如,某个Bundle声明了一个它依赖的Package,如果有其他Bundle声明发布了这个Package,那么所有对这个Package的类加载动作都会委派给发布它的Bundle类加载器去完成。不涉及某个具体的Package时,各个Bundle加载器都是平级关系,只有具体使用某个Package和Class的时候,才会根据Package导入导出定义来构造Bundle间的委派和依赖。另外,一个Bundle类加载器为其他Bundle提供服务时,会根据Export-Package列表严格控制访问范围。如果一个类存在于Bundle的类库中但是没有被Export,那么这个Bundle的类加载器能找到这个类,但不会提供给其他Bundle使用,而且OSGi平台也不会把其他Bundle的类加载请求分配给这个Bundle来处理。

我们可以举一个更具体一些的简单例子,假设存在Bundle A、Bundle B、Bundle C三个模块,并且这三个Bundle定义的依赖关系如下。

Bundle A:声明发布了packageA,依赖了java.*的包。

Bundle B:声明依赖了packageA和packageC,同时也依赖了java.*的包。

Bundle C:声明发布了packageC,依赖了packageA。

那么,这三个Bundle之间的类加载器及父类加载器之间的关系如图所示。

由于没有牵扯到具体的OSGi实现,所以图中的类加载器都没有指明具体的加载器实现,只是一个体现了加载器之间关系的概念模型,并且只是体现了OSGi中最简单的加载器委派关系。一般来说,在OSGi中,加载一个类可能发生的查找行为和委派关系会比图中显示的复杂得多,类加载时可能进行的查找规则如下:

以java.*开头的类,委派给父类加载器加载。

否则,委派列表名单内的类,委派给父类加载器加载。

否则,Import列表中的类,委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。

否则,查找当前Bundle的Classpath,使用自己的类加载器加载。

否则,查找是否在自己的Fragment Bundle中,如果是,则委派给Fragment Bundle的类加载器加载。

否则,查找Dynamic Import列表的Bundle,委派给对应Bundle的类加载器加载。

否则,类查找失败。

从图中还可以看出,在OSGi里面,加载器之间的关系不再是双亲委派模型的树形结构,而是已经进一步发展成了一种更为复杂的、运行时才能确定的网状结构。这种网状的类加载器架构在带来更好的灵活性的同时,也可能会产生许多新的隐患。将一个非OSGi的大型系统向Equinox OSGi平台迁移的项目,由于历史原因,代码模块之间的依赖关系错综复杂,勉强分离出各个模块的Bundle后,在高并发环境下经常出现死锁。很容易就找到了死锁的原因:如果出现了Bundle A依赖Bundle B的Package B,而Bundle B又依赖了Bundle A的Package A,这两个Bundle进行类加载时就很容易发生死锁。具体情况是当Bundle A加载Package B的类时,首先需要锁定当前类加载器的实例对象(java.lang.ClassLoader.loadClass()是一个synchronized方法),然后把请求委派给Bundle B的加载器处理,但如果这时候Bundle B也正好想加载Package A的类,它也先锁定自己的加载器再去请求Bundle A的加载器处理,这样,两个加载器都在等待对方处理自己的请求,而对方处理完之前自己又一直处于同步锁定的状态,因此它们就互相死锁,永远无法完成加载请求了。

总体来说,OSGi描绘了一个很美好的模块化开发的目标,而且定义了实现这个目标所需要的各种服务,同时也有成熟框架对其提供实现支持。对于单个虚拟机下的应用,从开发初期就建立在OSGi上是一个很不错的选择,这样便于约束依赖。但并非所有的应用都适合采用OSGi作为基础架构,OSGi在提供强大功能的同时,也引入了额外的复杂度,带来了线程死锁和内存泄漏的风险。

 

 

 

 

 

 

 

 

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