【译文】走出Java ClassLoader迷宫 Find a way out of the ClassLoader maze

时间：2023-03-09 16:14:54
【译文】走出Java ClassLoader迷宫 Find a way out of the ClassLoader maze

本文是一篇译文。原文：Find a way out of the ClassLoader maze

对于类加载器，普通Java应用开发人员不需要了解太多。但对于系统开发人员，正确理解Java的类加载器模型是开发Java系统软件的关键。很久以来，我一直对ClassLoader许多问题感到很模糊，自己也在一直探讨ClassLoader的机制，但苦于Java这方面的文档太少，许多东西都是自己学习JDK源码和看开源系统应用项目的代码总结出来，很不清晰。前不久在帮朋友做那个企业应用平台时，对这方面的知识深入研究和学习了一下，遇到的最好的文档就是这篇文章了。在这儿翻译出来，与希望写系统代码的朋友分享。

原文太长，分篇译出。喜欢看原文的朋友不妨直接阅读原文。

问题：何时使用Thread.getContextClassLoader()?

这是一个很常见的问题，但答案却很难回答。这个问题通常在需要动态加载类和资源的系统编程时会遇到。总的说来动态加载资源时，往往需要从三种类加载器里选择：系统或说程序的类加载器、当前类加载器、以及当前线程的上下文类加载器。在程序中应该使用何种类加载器呢？

系统类加载器通常不会使用。此类加载器处理启动应用程序时classpath指定的类，可以通过ClassLoader.getSystemClassLoader()来获得。所有的ClassLoader.getSystemXXX()接口也是通过这个类加载器加载的。一般不要显式调用这些方法，应该让其他类加载器代理到系统类加载器上。由于系统类加载器是JVM最后创建的类加载器，这样代码只会适应于简单命令行启动的程序。一旦代码移植到EJB、Web应用或者Java Web Start应用程序中，程序肯定不能正确执行。

因此一般只有两种选择，当前类加载器和线程上下文类加载器。当前类加载器是指当前方法所在类的加载器。这个类加载器是运行时类解析使用的加载器，Class.forName(String)和Class.getResource(String)也使用该类加载器。代码中X.class的写法使用的类加载器也是这个类加载器。

线程上下文类加载器在Java 2(J2SE)时引入。每个线程都有一个关联的上下文类加载器。如果你使用new Thread()方式生成新的线程，新线程将继承其父线程的上下文类加载器。如果程序对线程上下文类加载器没有任何改动的话，程序中所有的线程将都使用系统类加载器作为上下文类加载器。Web应用和Java企业级应用中，应用服务器经常要使用复杂的类加载器结构来实现JNDI（Java命名和目录接口)、线程池、组件热部署等功能，因此理解这一点尤其重要。

为什么要引入线程的上下文类加载器？将它引入J2SE并不是纯粹的噱头，由于Sun没有提供充分的文档解释说明这一点，这使许多开发者很糊涂。实际上，上下文类加载器为同样在J2SE中引入的类加载代理机制提供了后门。通常JVM中的类加载器是按照层次结构组织的，目的是每个类加载器（除了启动整个JVM的原初类加载器）都有一个父类加载器。当类加载请求到来时，类加载器通常首先将请求代理给父类加载器。只有当父类加载器失败后，它才试图按照自己的算法查找并定义当前类。

有时这种模式并不能总是奏效。这通常发生在JVM核心代码必须动态加载由应用程序动态提供的资源时。拿JNDI为例，它的核心是由JRE核心类(rt.jar)实现的。但这些核心JNDI类必须能加载由第三方厂商提供的JNDI实现。这种情况下调用父类加载器（原初类加载器）来加载只有其子类加载器可见的类，这种代理机制就会失效。解决办法就是让核心JNDI类使用线程上下文类加载器，从而有效的打通类加载器层次结构，逆着代理机制的方向使用类加载器。

顺便提一下，XML解析API(JAXP)也是使用此种机制。当JAXP还是J2SE扩展时，XML解析器使用当前累加载器方法来加载解析器实现。但当JAXP成为J2SE核心代码后，类加载机制就换成了使用线程上下文加载器，这和JNDI的原因相似。

好了，现在我们明白了问题的关键：这两种选择不可能适应所有情况。一些人认为线程上下文类加载器应成为新的标准。但这在不同JVM线程共享数据来沟通时，就会使类加载器的结构乱七八糟。除非所有线程都使用同一个上下文类加载器。而且，使用当前类加载器已成为缺省规则，它们广泛应用在类声明、Class.forName等情景中。即使你想尽可能只使用上下文类加载器，总是有这样那样的代码不是你所能控制的。这些代码都使用代理到当前类加载器的模式。混杂使用代理模式是很危险的。

更为糟糕的是，某些应用服务器将当前类加载器和上下文类加器分别设置成不同的ClassLoader实例。虽然它们拥有相同的类路径，但是它们之间并不存在父子代理关系。想想这为什么可怕：记住加载并定义某个类的类加载器是虚拟机内部标识该类的组成部分，如果当前类加载器加载类X并接着执行它，如JNDI查找类型为Y的数据，上下文类加载器能够加载并定义Y，这个Y的定义和当前类加载器加载的相同名称的类就不是同一个，使用隐式类型转换就会造成异常。

这种混乱的状况还将在Java中存在很长时间。在J2SE中还包括以下的功能使用不同的类加载器：

* JNDI使用线程上下文类加载器

* Class.getResource()和Class.forName()使用当前类加载器

* JAXP使用上下文类加载器

* java.util.ResourceBundle使用调用者的当前类加载器

* URL协议处理器使用java.protocol.handler.pkgs系统属性并只使用系统类加载器。

* Java序列化API缺省使用调用者当前的类加载器

这些类加载器非常混乱，没有在J2SE文档中给以清晰明确的说明。

java开发人员应该怎么做？

如果你的实现是利用特定的框架，那么恭喜你，实现它远比实现框架要简单得多！例如，在web应用和EJB应用中，你仅仅只要使用 Class.getResource()就足够了。

其他的情形下，俺有个建议（这个原则是俺工作中发现的，侵权必究,抵制盗版。），

下面这个类可以在整个应用中的任何地方使用，作为一个全局的ClassLoader（所有的示例代码可以从download下载）：

public abstract class ClassLoaderResolver

{

    /**

     * This method selects the best classloader instance to be used for

     * class/resource loading by whoever calls this method. The decision

     * typically involves choosing between the caller's current, thread context,

     * system, and other classloaders in the JVM and is made by the {@link IClassLoadStrategy}

     * instance established by the last call to {@link #setStrategy}.

     *

     * @return classloader to be used by the caller ['null' indicates the

     * primordial loader]

     */

    public static synchronized ClassLoader getClassLoader ()

    {

        final Class caller = getCallerClass (0);

        final ClassLoadContext ctx = new ClassLoadContext (caller);

        return s_strategy.getClassLoader (ctx);

    }

    public static synchronized IClassLoadStrategy getStrategy ()

    {

        return s_strategy;

    }

    public static synchronized IClassLoadStrategy setStrategy (final IClassLoadStrategy strategy)

    {

        final IClassLoadStrategy old = s_strategy;

        s_strategy = strategy;

        return old;

    }

    /**

     * A helper class to get the call context. It subclasses SecurityManager

     * to make getClassContext() accessible. An instance of CallerResolver

     * only needs to be created, not installed as an actual security

     * manager.

     */

    private static final class CallerResolver extends SecurityManager

    {

        protected Class [] getClassContext ()

        {

            return super.getClassContext ();

        }

    } // End of nested class 

    /*

     * Indexes into the current method call context with a given

     * offset.

     */

    private static Class getCallerClass (final int callerOffset)

    {

        return CALLER_RESOLVER.getClassContext () [CALL_CONTEXT_OFFSET +

            callerOffset];

    }

    private static IClassLoadStrategy s_strategy; // initialized in 

    private static final int CALL_CONTEXT_OFFSET = 3; // may need to change if this class is redesigned

    private static final CallerResolver CALLER_RESOLVER; // set in 

    static

    {

        try

        {

            // This can fail if the current SecurityManager does not allow

            // RuntimePermission ("createSecurityManager"):

            CALLER_RESOLVER = new CallerResolver ();

        }

        catch (SecurityException se)

        {

            throw new RuntimeException ("ClassLoaderResolver: could not create CallerResolver: " + se);

        }

        s_strategy = new DefaultClassLoadStrategy ();

    }

} // End of class.

You acquire a classloader reference by calling theClassLoaderResolver.getClassLoader() static method and use the result to load classes and resources via the normal java.lang.ClassLoader API. Alternatively, you can use this ResourceLoader API as a drop-in replacement for java.lang.ClassLoader:

public abstract class ResourceLoader

{

    /**

     * @see java.lang.ClassLoader#loadClass(java.lang.String)

     */

    public static Class loadClass (final String name)

        throws ClassNotFoundException

    {

        final ClassLoader loader = ClassLoaderResolver.getClassLoader (1);

        return Class.forName (name, false, loader);

    }

    /**

     * @see java.lang.ClassLoader#getResource(java.lang.String)

     */

    public static URL getResource (final String name)

    {

        final ClassLoader loader = ClassLoaderResolver.getClassLoader (1);

        if (loader != null)

            return loader.getResource (name);

        else

            return ClassLoader.getSystemResource (name);

    }

    ... more methods ...

} // End of class

The decision of what constitutes the best classloader to use is factored out into a pluggable component implementing the IClassLoadStrategy interface:

public interface IClassLoadStrategy

{

    ClassLoader getClassLoader (ClassLoadContext ctx);

} // End of interface

To help IClassLoadStrategy make its decision, it is given a ClassLoadContext object:

public class ClassLoadContext

{

    public final Class getCallerClass ()

    {

        return m_caller;

    }

    ClassLoadContext (final Class caller)

    {

        m_caller = caller;

    }

    private final Class m_caller;

} // End of class

ClassLoadContext.getCallerClass() returns the class whose code calls intoClassLoaderResolver or ResourceLoader. This is so that the strategy implementation can figure out the caller's classloader (the context loader is always available asThread.currentThread().getContextClassLoader()). Note that the caller is determined statically; thus, my API does not require existing business methods to be augmented with extra Class parameters and is suitable for static methods and initializers as well. You can augment this context object with other attributes that make sense in your deployment situation.

All of this should look like a familiar Strategy design pattern to you. The idea is that decisions like "always context loader" or "always current loader" get separated from the rest of your implementation logic. It is hard to know ahead of time which strategy will be the right one, and with this design, you can always change the decision later.

I have a default strategy implementation that should work correctly in 95 percent of real-life situations:

public class DefaultClassLoadStrategy implements IClassLoadStrategy

{

    public ClassLoader getClassLoader (final ClassLoadContext ctx)

    {

        final ClassLoader callerLoader = ctx.getCallerClass ().getClassLoader ();

        final ClassLoader contextLoader = Thread.currentThread ().getContextClassLoader ();

        ClassLoader result;

        // If 'callerLoader' and 'contextLoader' are in a parent-child

        // relationship, always choose the child:

        if (isChild (contextLoader, callerLoader))

            result = callerLoader;

        else if (isChild (callerLoader, contextLoader))

            result = contextLoader;

        else

        {

            // This else branch could be merged into the previous one,

            // but I show it here to emphasize the ambiguous case:

            result = contextLoader;

        }

        final ClassLoader systemLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader ();

        // Precaution for when deployed as a bootstrap or extension class:

        if (isChild (result, systemLoader))

            result = systemLoader;

        return result;

    }

    ... more methods ...

} // End of class

上面的逻辑比较简单，如果当前ClassLoader和Context ClassLoader是父子关系，那就总选儿子，根据委托原则，这个很容易理解。

如果两人平级，选择正确的ClassLoader很重要，运行时不允许含糊。这种情况下，我的代码选择Context ClassLoader（这是俺个人的经验之谈），当然也不要担心不能改变，你能随便根据需要改变。一般而言，Context ClassLoader比较适合框架，而Current ClassLoader在业务逻辑中用的更多。

最后，检查确保选中的ClassLoader不是System ClassLoader的parent，一旦高于System ClassLoader ，请使用System ClassLoader（你的类部署在Ext路径下面，就会出现这种情况）。

请注意，俺故意没关注被载入资源的名称。Java XML API 成为java 核心api的经历告诉我们，根据资源名称过滤是很不cool的idea。而且 我也没有去确认到底哪个ClassLoader被取得了，因为只要清楚原理，这很容易被推理出来。（哈哈，俺是强淫）

尽管讨论java 的ClassLoader不是一个很cool的话题（译者注，当年不cool，但是现在很cool），而且Java EE的ClassLoader策略越发的依赖各种平台的升级。如果这没有一个更好的设计的话，将会变成一个大大的问题。不敢您是否同意俺的观点，俺尊重你说话的权利，所以请给俺分享您的意见经验。

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