Android插件化开发核心类ClassLoader相关详解

最近在研究插件化开发,顺便就了解了 ClassLoader 这个类加载器,顺藤摸瓜,查到了jvm里面的双亲委派模型,这里就简单的讲一下什么是预定义类加载器和双亲委派模型?

学好java基础,顺便学好jvm虚拟机,对阅读源码和插件化开发很有帮助。

1、预定义类加载器

JVM预定义的三种类型类加载器:

  • 1.启动(Bootstrap)类加载器:是用本地代码实现的类装入器,它负责将 <Java_Runtime_Home>/lib 下面的类库加载到内存中(比如 rt.jar)。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节,开发者无法直接获取到启动类加载器的引用,所以不允许直接通过引用进行操作。
  • 2.标准扩展(Extension)类加载器:是由 Sun 的 ExtClassLoader(sun.misc.Launcher$ExtClassLoader)实现的。它负责将 < Java_Runtime_Home >/lib/ext 或者由系统变量 java.ext.dir 指定位置中的类库加载到内存中。开发者可以直接使用标准扩展类加载器。
  • 3.系统(System)类加载器:是由 Sun 的 AppClassLoader(sun.misc.Launcher$AppClassLoader)实现的。由于这个类加载器是 ClassLoader 中的 getSystemClassLoader() 方法的返回值,所以一般也被称为系统类加载器。它负责将系统类路径(CLASSPATH)中指定的类库加载到内存中。开发者可以直接使用系统类加载器,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。

除了以上列举的三种类加载器,还有一种比较特殊的类型 — 线程上下文类加载器

应用程序由这三种类加载器互相配合进行加载的,如果有必须,还可以加入自己定义的类加载器。这些类加载器之间的关系一般如下图:

类加载器之间的关系

2、双亲委派模型(双亲委派机制)

双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器之外,其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里的类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现,而是使用组合关系来复用父加载器的代码。

双亲委派模型的式作过程是: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全这个加载请求时,子加载器才会尝试自己去加载。

3、双亲委派模型的破坏

  • 1、第1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JDK1.2发布之前。由于双亲委派模型是在JDK1.2之后才被引入的,而类加载器和抽象类 java.lang.ClassLoader 则是JDK1.0时候就已经存在,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,JDK1.2之后的 java.lang.ClassLoader 添加了一个新的 proceted 方法 findClass() ,在此之前,用户去继承 java.lang.ClassLoader 的唯一目的就是重写 loadClass() 方法,因为虚拟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() 。JDK1.2之后已不再提倡用户再去覆盖 loadClass() 方法,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,如果父类加载器加载失败,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模型的。

  • 2、第2次“被破坏”

  双亲委派模型的第二次“被破坏”是这个模型自身的缺陷所导致的,双亲委派模型很好地解决了各个类加载器的基础类统一问题(越基础的类由越上层的加载器进行加载),基础类之所以被称为“基础”,是因为它们总是作为被调用代码调用的API。但是,如果基础类又要调用用户的代码,那该怎么办呢。

  这并非是不可能的事情,一个典型的例子便是JNDI服务,它的代码由启动类加载器去加载(在JDK1.3时放进 rt.jar ),但JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找,它需要调用独立厂商实现部部署在应用程序的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”之些代码,该怎么办?

  为了解决这个困境,Java设计团队只好引入了一个不太优雅的设计:线程上下文件类加载器(Thread Context ClassLoader)。这个类加载器可以通过 java.lang.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,那么这个类加载器默认就是应用程序类加载器。了有线程上下文类加载器,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,已经违背了双亲委派模型,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。

  • 3、第3次“被破坏”

  双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序的动态性的追求导致的,例如OSGi的出现。在OSGi环境下,类加载器不再是双亲委派模型中的树状结构,而是进一步发展为网状结构。

4、几点思考

  • 1、Bootstrap类

Java虚拟机的第一个类加载器是Bootstrap,这个加载器很特殊,它不是Java类,因此它不需要被别人加载,它嵌套在Java虚拟机内核里面,也就是JVM启动的时候Bootstrap就已经启动,它是用C++写的二进制代码(不是字节码),它可以去加载别的类。

这也是我们在测试时为什么发现System.class.getClassLoader()结果为null的原因,这并不表示System这个类没有类加载器,而是它的加载器比较特殊,是BootstrapClassLoader,由于它不是Java类,因此获得它的引用肯定返回null。

  • 2、委托机制具体含义 当Java虚拟机要加载一个类时,到底派出哪个类加载器去加载呢?
    • 首先当前线程的类加载器去加载线程中的第一个类(假设为类A)。 注:当前线程的类加载器可以通过Thread类的getContextClassLoader()获得,也可以通过setContextClassLoader()自己设置类加载器。
    • 如果类A中引用了类B,Java虚拟机将使用加载类A的类加载器去加载类B。
    • 还可以直接调用ClassLoader.loadClass()方法来指定某个类加载器去加载某个类。
  • 3、委托机制的意义 — 防止内存中出现多份同样的字节码 比如两个类A和类B都要加载System类:
    • 如果不用委托而是自己加载自己的,那么类A就会加载一份System字节码,然后类B又会加载一份System字节码,这样内存中就出现了两份System字节码
    • 如果使用委托机制,会递归的向父类查找,也就是首选用Bootstrap尝试加载,如果找不到再向下。这里的System就能在Bootstrap中找到然后加载,如果此时类B也要加载System,也从Bootstrap开始,此时Bootstrap发现已经加载过了System那么直接返回内存中的System即可而不需要重新加载,这样内存中就只有一份System的字节码了。

5、一道面试题:能不能自己写个类叫java.lang.System?

  • 答案: 通常不可以,但可以采取另类方法达到这个需求。
  • 解释: 为了不让我们写System类,类加载采用委托机制,这样可以保证爸爸们优先,爸爸们能找到的类,儿子就没有机会加载。而System类是Bootstrap加载器加载的,就算自己重写,也总是使用Java系统提供的System,自己写的System类根本没有机会得到加载

但是,我们可以自己定义一个类加载器来达到这个目的,为了避免双亲委托机制,这个类加载器也必须是特殊的。由于系统自带的三个类加载器都加载特定目录下的类,如果我们自己的类加载器放在一个特殊的目录,那么系统的加载器就无法加载,也就是最终还是由我们自己的加载器加载。

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