不吹不黑，關於 Java 類載入器的這一點，市面上沒有任何一本圖書講到

三國夢迴發表於2019-06-25
Java

類載入器第7彈：

實戰分析Tomcat的類載入器結構（使用Eclipse MAT驗證）

還是Tomcat，關於類載入器的趣味實驗

了不得，我可能發現了Jar 包衝突的祕密

重寫類載入器，實現簡單的熱替換

@Java Web 程式設計師，我們一起給程式開個後門吧：讓你在保留現場，服務不重啟的情況下，執行我們的除錯程式碼

@Java web程式設計師，在保留現場，服務不重啟的情況下，執行我們的除錯程式碼（JSP 方式）

 

 

一、一個程式設計師的思考

大家都知道，Tomcat 處理業務，靠什麼？最終是靠我們自己編寫的 Servlet。你可能說你不寫 servlet，你用 spring MVC，那也是人家幫你寫好了，你只需要配置就行。在這裡，有一個邊界，Tomcat 算容器，容器的相關 jar 包都放在它自己的 安裝目錄的 lib 下面； 我們呢，算是業務，算是webapp，我們的 servlet ，不管是自定義的，還是 spring mvc 的DispatcherServlet，都是放在我們的 war 包裡面 WEB-INF/lib下。 看過前面文章的同學是曉得的， 這二者是由不同的類載入器載入的。在 Tomcat 的實現中，會委託 webappclassloader 去載入WAR 包中的 servlet ，然後 反射生成對應的 servlet。後續有請求來了，呼叫生成的 servlet 的 service 方法即可。

在 org.apache.catalina.core.StandardWrapper#loadServlet 中，即負責 生成 servlet：

 

    org.apache.catalina.core.DefaultInstanceManager#newInstance(java.lang.String)
    @Override
    public Object newInstance(String className) throws IllegalAccessException, InvocationTargetException, NamingException, InstantiationException, ClassNotFoundException {
        Class<?> clazz = loadClassMaybePrivileged(className, classLoader);
        return newInstance(clazz.newInstance(), clazz);
    }

 

在上圖中，會利用 instanceManager 根據引數中指定的 servletClass 去生成 servlet 例項。newInstance 程式碼如下，主要就是用 當前 context 的classloader 去載入 該 servlet，然後 反射生成 servlet 物件。

我們重點關注的是那個紅框圈出的強轉：為什麼由 webappclassloader 載入的物件，可以轉換 為 Tomcat common classloader 載入的 Servlet 呢？ 按理說，兩個不同的類載入器載入的類都是互相隔離的啊，不應該拋一個 ClassCastException 嗎？說真的，我翻了不少書，從來沒提到這個，就連網上也很含糊。

 

再來一個，關於SPI的問題。  在 SPI 中（有興趣的同學可以自行查詢，網上很多，我隨便找了一篇：https://www.jianshu.com/p/46b42f7f593c），主要是由 java 社群指定規範，比如 JDBC，廠家有那麼多，mysql，oracle，postgre，大家都有自己的 jar包，要是沒有 JDBC 規範，我們估計就得針對各個廠家的實現類程式設計了，那遷移就麻煩了，你針對 mysql 資料庫寫的程式碼，換成 oracle 的話，程式碼不改是肯定不能跑的。所以， JCP組織制定了 JDBC 規範，JDBC 規範中指定了一堆的 介面，我們平時開發，只需要針對介面來程式設計，而實現怎麼辦，交給各廠家唄，由廠家來實現 JDBC 規範。這裡以程式碼舉例，oracle.jdbc.OracleDriver 實現了 java.sql.Driver，同時，在 oracle.jdbc.OracleDriver 的 static 初始化塊中，有下面的程式碼：

 

    static {
        try {
            if (defaultDriver == null) {
                defaultDriver = new oracle.jdbc.OracleDriver();
                DriverManager.registerDriver(defaultDriver);
            }
    // 省略
    }

其中，標紅這句，就是 Oracle Driver 要向 JDBC 介面註冊自己，java.sql.DriverManager#registerDriver(java.sql.Driver)的實現如下：

java.sql.DriverManager#registerDriver(java.sql.Driver) 

public static synchronized void registerDriver(java.sql.Driver driver)
        throws SQLException {

        registerDriver(driver, null);
    }

 

可以看到，registerDriver(java.sql.Driver)  方法的引數為 java.sql.Driver，而我們傳的引數為 oracle.jdbc.OracleDriver 型別，這兩個型別，分別由不同的類載入器載入（java.sql.Driver 由 jdk 的 啟動類載入器載入，而 oracle.jdbc.OracleDriver ，如果為 web應用，則為 tomcat 的 webappclassloader 來載入，不管怎麼說，反正不是由 jdk 載入的），這樣的兩個型別，連 類載入器都不一樣，怎麼就能正常轉換呢，為啥不拋 ClassCastException？

 

 二、不同類載入器載入的類，可以轉換的關鍵

經過上面兩個例子的觀察，不知道大家發現沒， 我們都是把一個實現，轉換為一個介面。也許，這就是問題的關鍵。我們可以大膽地推測，基於類的雙親委派機制，在 載入 實現類的時候，jvm 遇到 實現類中引用到的其他類，也會觸發載入，載入的過程中，會觸發 loadClass，比如，載入 webappclassloader 在 載入 oracle.jdbc.OracleDriver 時，觸發載入 java.sql.Driver，但是 webappclassloader 明顯是不能去載入 java.sql.Driver 的，於是會委託給 jdk 的類載入，所以，最終，oracle.jdbc.OracleDriver 中 引用的 java.sql.Driver ，其實就是由 jdk 的類載入器去載入的。 而  registerDriver(java.sql.Driver driver) 中的 driver 引數的型別 java.sql.Driver 也是由 jdk 的類載入器去載入的，二者相同，所以自然可以相互轉換。

 

這裡總結一句（不一定對），在同時滿足以下幾個條件的情況下：

前置條件1、介面 jar包 中，定義一個介面 Test

前置條件2、實現 jar 包中，定義 Test 的實現類，比如 TestImpl。（但是不要在該類中包含該 介面，你說沒法編譯，那就把介面 jar包放到 classpath）

前置條件3、介面 jar 包由 interface_classLoader 載入，實現 jar 包 由 impl_classloader 載入，其中 impl_classloader 會在自己無法載入時，委派給 interface_classLoader 

 

則，定義在 實現jar 中的Test 介面的實現類，反射生成的物件，可以轉換為 Test 型別。

 

猜測說完了，就是求證過程。

 

三、求證

1、定義介面 jar 

D:\classloader_interface\ITestSample.java  

/**
 * desc:
 *
 * @author : 
 * creat_date: 2019/6/16 0016
 * creat_time: 19:28
 **/
public interface ITestSample {
}

 

cmd下，執行：

D:\classloader_interface>javac ITestSample.java
D:\classloader_interface>jar cvf interface.jar ITestSample.class
已新增清單
正在新增: ITestSample.class(輸入 = 103) (輸出 = 86)(壓縮了 16%)

 

此時，即可在當前目錄下，生成 名為 interface.jar 的介面jar包。

 

2、定義介面的實現 jar

在不同目錄下，新建了一個實現類。

D:\classloader_impl\TestSampleImpl.java

/**
 * Created by Administrator on 2019/6/25.
 */
public class TestSampleImpl implements  ITestSample{

}

編譯，打包：

1 D:\classloader_impl>javac -cp D:\classloader_interface\interface.jar TestSampleI
2 mpl.java
3 
4 D:\classloader_impl>jar -cvf impl.jar TestSampleImpl.class
5 已新增清單
6 正在新增: TestSampleImpl.class(輸入 = 221) (輸出 = 176)(壓縮了 20%)

 

請注意上面的標紅行，不加編譯不過。

 

3、測試

測試的思路是，用一個urlclassloader 去載入 interface.jar 中的 ITestSample，用另外一個 URLClassLoader 去載入 impl.jar 中的 TestSampleImpl ，然後用java.lang.Class#isAssignableFrom 判斷後者是否能轉成前者。

 

 1 import java.lang.reflect.Method;
 2 import java.net.URL;
 3 import java.net.URLClassLoader;
 4 
 5 /**
 6  * desc:
 7  *
 8  * @author : caokunliang
 9  * creat_date: 2019/6/14 0014
10  * creat_time: 17:04
11  **/
12 public class MainTest {
13 
14 
15     public static void testInterfaceByOneAndImplByAnother()throws Exception{
16         URL url = new URL("file:D:\\classloader_interface\\interface.jar");
17         URLClassLoader urlClassLoader = new URLClassLoader(new URL[]{url});
18         Class<?> iTestSampleClass = urlClassLoader.loadClass("ITestSample");
19 
20 
21         URL implUrl = new URL("file:D:\\classloader_impl\\impl.jar");
22         URLClassLoader implUrlClassLoader = new URLClassLoader(new URL[]{implUrl}, urlClassLoader);
23         Class<?> testSampleImplClass = implUrlClassLoader.loadClass("TestSampleImpl");
24 
25 
26         System.out.println("實現類能轉否？："  + iTestSampleClass.isAssignableFrom(testSampleImplClass));
27 
28     }
29 
30     public static void main(String[] args) throws Exception {
31         testInterfaceByOneAndImplByAnother();
32     }
33 
34 }

 

列印如下：

 

4、延伸測試1

如果我們做如下改動，你猜會怎樣？ 這裡的主要差別是：

改之前，urlClassloader 作為 parentClassloader： 

        URLClassLoader implUrlClassLoader = new URLClassLoader(new URL[]{implUrl}, urlClassLoader);

改之後，不傳，預設會以 jdk 的應用類載入器作為 parent：

        URLClassLoader implUrlClassLoader = new URLClassLoader(new URL[]{implUrl});

 

列印結果是：

Exception in thread "main" java.lang.NoClassDefFoundError: ITestSample
    at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:760)
    at java.security.SecureClassLoader.defineClass(SecureClassLoader.java:142)
    at java.net.URLClassLoader.defineClass(URLClassLoader.java:455)
    at java.net.URLClassLoader.access$100(URLClassLoader.java:73)
    at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:367)
    at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:361)
    at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
    at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:360)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
    at MainTest.testInterfaceByOneAndImplByAnother(MainTest.java:23)
    at MainTest.main(MainTest.java:33)
Caused by: java.lang.ClassNotFoundException: ITestSample
    at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:372)
    at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:361)
    at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
    at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:360)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
    ... 13 more

 

 結果就是，第23行，Class<?> testSampleImplClass = implUrlClassLoader.loadClass("TestSampleImpl"); 這裡報錯了，提示找不到 ITestSample。

這就是因為，在載入了 implUrlClassLoader 後，觸發了對 ITestSample 的隱式載入，這個隱式載入會用哪個載入器去載入呢，沒有預設指明的情況下，就是用當前的類載入器，而當前類載入器就是 implUrlClassLoader ，但是這個類載入器開始載入 ITestSample，它是遵循雙親委派的，它的parent 載入器 即為 appclassloader，（jdk的預設應用類載入器），但appclassloader 根本不能載入 ITestSample，於是還是還給 implUrlClassLoader ，但是 implUrlClassLoader  也不能載入，於是丟擲異常。

 

5、延伸測試2

我們再做一個改動， 改動處和上一個測試一樣，只是這次，我們傳入了一個特別的類載入器，作為其 parentClassLoader。 它的特殊之處在於，almostSameUrlClassLoader 和 前面載入 interface.jar 的類載入器一模一樣，只是是一個新的例項。

        URLClassLoader almostSameUrlClassLoader = new URLClassLoader(new URL[]{url});
        URLClassLoader implUrlClassLoader = new URLClassLoader(new URL[]{implUrl}, almostSameUrlClassLoader);

 

這次，看看結果吧，也許你猜到了？

 

這次沒報錯了，畢竟 almostSameUrlClassLoader  知道去哪裡載入 ITestSample，但是，最後的結果顯示，實現類的 class 並不能 轉成 ITestSample。

 

6、延伸測試3

說實話，有些同學可能對 java.lang.Class#isAssignableFrom 不是很熟悉，我們換個你更不熟悉的，如何？

        URL implUrl = new URL("file:D:\\classloader_impl\\impl.jar");
        URLClassLoader almostSameUrlClassLoader = new URLClassLoader(new URL[]{url});
        URLClassLoader implUrlClassLoader = new URLClassLoader(new URL[]{implUrl}, almostSameUrlClassLoader);
        Class<?> testSampleImplClass = implUrlClassLoader.loadClass("TestSampleImpl");
        Object o = testSampleImplClass.newInstance();
        Object cast = iTestSampleClass.cast(o); // 將 o 轉成 介面的那個類
        System.out.println(cast);

結果：

 

如果換成下面這樣，就沒啥問題：

        URL implUrl = new URL("file:D:\\classloader_impl\\impl.jar");
        URLClassLoader almostSameUrlClassLoader = new URLClassLoader(new URL[]{url});
        URLClassLoader implUrlClassLoader = new URLClassLoader(new URL[]{implUrl}, urlClassLoader);
        Class<?> testSampleImplClass = implUrlClassLoader.loadClass("TestSampleImpl");
        Object o = testSampleImplClass.newInstance();
        Object cast = iTestSampleClass.cast(o);
        System.out.println(cast);

 

執行：

 

四、總結

大家將就看吧，第三章的測試如果仔細看下來，基本就能理解了。 其實，除了 介面這種方式，貌似 繼承 的方式也是可以的，改天再試驗下。 這一塊，不知道為啥，我是真的在網上書上沒找到，但其實很重要，改天找找虛擬機器層面的實現程式碼吧。 大家如果覺得有幫助，麻煩點個推薦，對於寫作的人來說，這莫過於最大的獎勵了。

 

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