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大厂面试题:说说JVM的双亲委派模型

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一、得分点 

启动类加载器、扩展类加载器、应用程序类加载器 

二、标准回答 

对于JDK 8及其之前版本的Java应用,都会使用到以下3个系统提供的类加载器来进行加载: 

1. 启动类加载器 

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虚拟机能够识别的类库加载到虚拟机的内存中。注意,Java虚拟机会按照文件名识别类库,例如rt.jar、tools.jar,对于名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载。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,即让java.lang.ClassLoader.getClassLoader()返回null。 

2. 扩展类加载器 

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。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。 

3. 应用程序类加载器 

这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。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。 用户还可以加入自定义的类加载器来进行拓展,这些类加载器之间的协作关系“通常”如下图所示。图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”。

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的关系来实现的,而是通常使用组合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。 

三、加分回答 

双亲委派模型并不是一个具有强制性约束的模型,而是Java设计者推荐给开发者们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,但也有例外的情况,双亲委派模型主要出现过3次较大规模的“被破坏”的情况。 

1. 双亲委派模型的第一次“被破坏”发生在双亲委派模型出现之前 

双亲委派模型在JDK 1.2之后才被引入,但是类加载器的概念和抽象类ClassLoader则在Java的第一个版本中就已经存在,面对已经存在的用户自定义类加载器的代码,Java设计者们引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协。为了兼容这些已有代码,只能在之后的ClassLoader中添加一个protected方法findClass(),并引导用户编写的类加载逻辑时尽可能去重写这个方法,而不是在loadClass()中编写代码。

双亲委派的具体逻辑就实现在这里面,按照loadClass()的逻辑,如果父类加载失败,会自动调用自己的findClass()来完成加载,这样既不影响用户按照自己的意愿去加载类,又可以保证新写出来的类加载器符合双亲委派规则。 

2. 双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷导致的 

双亲委派很好地解决了各个类加载器协作时基础类型的一致性问题,基础类型之所以被称为“基础”,是因为它们总是作为被用户代码继承、调用的API存在,但程序设计往往没有绝对不变的完美规则,如果有基础类型又要调用回用户的代码,那该怎么办呢? 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来完成加载,肯定属于Java中很基础的类型了。

但JNDI存在的目的就是对资源进行查找和集中管理,它需要调用由其他厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI服务提供者接口的代码,现在问题来了,启动类加载器是绝不可能认识、加载这些代码的,那该怎么办? 为了解决这个困境,Java的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Thread类的setContextClassLoader()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,程序就可以做一些“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的SPI服务代码,这是一种父类加载器去请求子类加载器完成类加载的行为,这种行为实际上是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器,已经违背了双亲委派模型的一般性原则,但也是无可奈何的事情。 

3. 双亲委派模型的第三次“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”指的是一些非常“热”门的名词:代码热替换、模块热部署等。说白了就是希望Java应用程序能像我们的电脑外设那样,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,不用关机也不用重启。 早在2008年,在Java社区关于模块化规范的第一场战役里,由Sun/Oracle公司所提出的JSR-294、JSR-277规范提案就曾败给以IBM公司主导的JSR-291(即OSGi R4.2)提案。

尽管Sun/Oracle并不甘心就此失去Java模块化的主导权,随即又再拿出Jigsaw项目迎战,但此时OSGi已经站稳脚跟,成为业界“事实上”的Java模块化标准。 OSGi实现模块化热部署的关键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,类加载器不再双亲委派模型推荐的树状结构,而是进一步发展为更加复杂的网状结构。</java_home></java_home>

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