秒懂雙親委派機制
前言
最近知識星球中，有位小伙伴問了我一個問題：JDBC為什么會破壞雙親委派機制？
這個問題挺有代表性的。
雙親委派機制是Java中非常重要的類加載機制，它保證了類加載的完整性和安全性，避免了類的重復加載。
這篇文章就跟大家一起聊聊，Java中類加載的雙親委派機制到底是怎么回事，有哪些破壞雙親委派機制的案例，為什么要破壞雙親委派機制，希望對你會有所幫助。
1 為什么要雙親委派機制？
我們的Java在運行之前，首先需要把Java代碼轉換成字節碼，即class文件。
然后JVM需要把字節碼通過一定的方式加載到內存中的運行時數據區。
這種方式就是類加載器（ClassLoader）。
再通過加載、驗證、準備、解析、初始化這幾個步驟完成類加載過程，然后再由jvm執行引擎的解釋器和JIT即時編譯器去將字節碼指令轉換為本地機器指令進行執行。
我們在使用類加載器加載類的時候，會面臨下面幾個問題：
- 如何保證類不會被重復加載？類重復加載會出現很多問題。
- 類加載器是否允許用戶自定義？
- 如果允許用戶自定義，如何保證類文件的安全性？
- 如何保證加載的類的完整性？
為了解決上面的這一系列的問題，我們必須要引入某一套機制，這套機制就是：雙親委派機制。
2 什么是雙親委派機制？
接下來，我們看看什么是雙親委派機制。
雙親委派機制的基本思想是：當一個類加載器試圖加載某個類時，它會先委托給其父類加載器，如果父類加載器無法加載，再由當前類加載器自己進行加載。
這種層層委派的方式有助于保障類的唯一性，避免類的重復加載，并提高系統的安全性和穩定性。
在Java中默認的類加載器有3層：
- 啟動類加載器（Bootstrap Class Loader）：負責加載 %JAVA_HOME%/jre/lib 目錄下的核心Java類庫，比如：rt.jar、charsets.jar等。它是最頂層的類加載器，通常由C++編寫。
- 擴展類加載器（Extension Class Loader）：負責加載Java的擴展庫，一般位于<JAVA_HOME>/lib/ext目錄下。
- 應用程序類加載器（Application Class Loader）：也稱為系統類加載器，負責加載用戶類路徑（ClassPath）下的應用程序類。
用一張圖梳理一下，雙親委派機制中的3種類加載器的層次關系：
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但這樣不夠靈活，用戶沒法控制，加載自己想要的一些類。
于是，Java中引入了自定義類加載器。
創建一個新的類并繼承ClassLoader類，然后重寫findClass方法。
該方法主要是實現從那個路徑讀取 ar包或者.class文件，將讀取到的文件用字節數組來存儲，然后可以使用父類的defineClass來轉換成字節碼。
如果想破壞雙親委派的話，就重寫loadClass方法，否則不用重寫。
類加載器的層次關系改成：
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雙親委派機制流程圖如下：
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具體流程大概是這樣的：
- 需要加載某個類時，先檢查自定義類加載器是否加載過，如果已經加載過，則直接返回。
- 如果自定義類加載器沒有加載過，則檢查應用程序類加載器是否加載過，如果已經加載過，則直接返回。
- 如果應用程序類加載器沒有加載過，則檢查擴展類加載器是否加載過，如果已經加載過，則直接返回。
- 如果擴展類加載器沒有加載過，則檢查啟動類加載器是否加載過，如果已經加載過，則直接返回。
- 如果啟動類加載器沒有加載過，則判斷當前類加載器能否加載這個類，如果能加載，則加載該類，然后返回。
- 如果啟動類加載器不能加載該類，則交給擴展類加載器。擴展類加載器判斷能否加載這個類，如果能加載，則加載該類，然后返回。
- 如果擴展類加載器不能加載該類，則交給應用程序類加載器。應用程序類加載器判斷能否加載這個類，如果能加載，則加載該類，然后返回。
- 如果應用程序類加載器不能加載該類，則交給自定義類加載器。自定義類加載器判斷能否加載這個類，如果能加載，則加載該類，然后返回。
- 如果自定義類加載器，也無法加載這個類，則直接拋ClassNotFoundException異常。
這樣做的好處是：
- 保證類不會重復加載。加載類的過程中，會向上問一下是否加載過，如果已經加載了，則不會再加載，這樣可以保證一個類只會被加載一次。
- 保證類的安全性。核心的類已經被啟動類加載器加載了，后面即使有人篡改了該類，也不會再加載了，防止了一些有危害的代碼的植入。
3 破壞雙親委派機制的場景
既然Java中引入了雙親委派機制，為什么要破壞它呢？
答：因為它有一些缺點。
下面給大家列舉一下，破壞雙親委派機制最常見的場景。
3.1 JNDI
JNDI是Java中的標準服務，它的代碼由啟動類加載器去加載。
但JNDI要對資源進行集中管理和查找，它需要調用由獨立廠商在應用程序的ClassPath下的實現了JNDI接口的代碼，但啟動類加載器不可能“認識”這些外部代碼。
為了解決這個問題，Java后來引入了線程上下文類加載器（Thread Context ClassLoader）。
這個類加載器可以通過java.lang.Thread類的setContextClassLoader()方法進行設置。
如果創建線程時沒有設置，他將會從父線程中繼承一個，如果在應用程序的全局范圍內都沒有設置過的話，那這個類加載器默認就是應用程序類加載器。
有了線程上下文加載器，JNDI服務就可以使用它去加載所需要的SPI代碼，也就是父類加載器請求子類加載器去完成類加載的動作，這樣就打破了雙親委派機制。
3.2 JDBC
原生的JDBC中Driver驅動本身只是一個接口，并沒有具體的實現，具體的實現是由不同數據庫類型去實現的。
例如，MySQL的mysql-connector.jar中的Driver類具體實現的。
原生的JDBC中的類是放在rt.jar包，是由啟動類加載器進行類加載的。
在JDBC中需要動態去加載不同數據庫類型的Driver實現類，而mysql-connector.jar中的Driver實現類是用戶自己寫的代碼，啟動類加載器肯定是不能加載的，那就需要由應用程序啟動類去進行類加載。
為了解決這個問題，也可以使用線程上下文類加載器（Thread Context ClassLoader）。
3.3 Tomcat容器
Tomcat是Servlet容器，它負責加載Servlet相關的jar包。
此外，Tomcat本身也是Java程序，也需要加載自身的類和一些依賴jar包。
這樣就會帶來下面的問題：
- 一個Tomcat容器下面，可以部署多個基于Servlet的Web應用，但如果這些Web應用下有同名的Servlet類，又不能產生沖突，需要相互獨立加載和運行才行。
- 但如果多個Web應用，使用了相同的依賴，比如：SpringBoot、Mybatis等。這些依賴包所涉及的文件非常多，如果全部都獨立，可能會導致JVM內存不足。也就是說，有些公共的依賴包，最好能夠只加載一次。
- 我們還需要將Tomcat本身的類，跟Web應用的類隔離開。
這些原因導致，Tomcat沒有辦法使用傳統的雙親委派機制加載類了。
那么，Tomcat加載類的機制是怎么樣的？
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- CommonClassLoader：是Tomcat最基本的類加載器，它加載的類可以被Tomcat容器和Web應用訪問。
- CatalinaClassLoader：是Tomcat容器私有的類加載器，加載類對于Web應用不可見。
- SharedClassLoader：各個Web應用共享的類加載器，加載的類對于所有Web應用可見，但是對于Tomcat容器不可見。
- WebAppClassLoader：各個Web應用私有的類加載器，加載類只對當前Web應用可見。比如不同war包應用引入了不同的Spring版本，這樣能加載各自的Spring版本，相互隔離。
3.4 熱部署
由于用戶對程序動態性的追求，比如：代碼熱部署、代碼熱替換等功能，引入了OSGi（Open Service Gateway Initiative）。
OSGi中的每一個模塊（稱為Bundle）。
當程序升級或者更新時，可以只停用、重新安裝然后啟動程序的其中一部分，對企業來說這是一個非常誘人的功能。
OSGi的Bundle類加載器之間只有規則，沒有固定的委派關系。
各個Bundle加載器是平級關系。
不是雙親委派關系。
