ClassLoader隔离性的基石namespace

本篇是对ClassLoader中的namespace做个直观的介绍和验证。这个知识点可以帮助解决日常工作中遇到的疑难杂症,如果你尚未认真研究过ClassLoader,但懵懂的认知让你觉得这个应该很简单,那请看下图,若看不懂则表明你可能并不了解ClassLoader中得一些关键逻辑。

ClassLoader隔离性的基石namespace插图

一、Classloader的分治和委派机制

ClassLoader 是个抽象类,其子类 UrlClassLoader 引入 URL 资源概念,以此方式来约束自己只加载 URL 覆盖范围内的类文件;ExtClassLoader、AppClassLoader 都是 UrlClassLoader 的子类,各自分管的资源路径不同,即给定的 URL 不同则管辖范围不同,并通过委派执行类加载来保障这种分治能力,进而达到了类资源的隔离性。

ClassLoader隔离性的基石namespace插图2

上图是标准的委派机制,总结为2个方面:

  • 1、父加载器能加载 父加载器来加载:
  • 2、自己在加载资源之前,先让父类加载器去加载。父类再找其父类,直到BootStrapClassLoader(它没有父类加载器)。
  • 3、保证了等级越高,加载的优先权越高
  • 4、父加载器不加载 我就来加载(findClass);我加载不了的子加载器来加载:
  • 5、若父类加载器没有加载成功,才逐级下放这个加载权。
  • 6、子类加载器不能加载父类加载器能加载的类,如 java.lang.String ,即使用户自己编造一份这个类型,启动类加载器优先将 java.lang.String 加载成功后,应用类加载器就不会再加载用户自己编造的。

下图描述了 SkyWalking Agent 通过自定义的类加载器AgentClassLoader 加载插件中的类,不会对宿主应用中的类产生污染。

ClassLoader隔离性的基石namespace插图4

二、namespace是什么?

每个类加载器都对应一个namespace,汉化叫命名空间(我个人其实更喜欢汉化为名字空间),命名空间由该加载器及所有父类加载器所加载的类组成。这样的介绍很抽象,网络资料中也多是这么几句话,我会从更多的细粒度视角带您进一步了解它。

1、同一个命名空间中,类只加载一份

比如AppClassLoader加载程序中编写的类。无论加载多少次,只要是被AppClassLoader加载的,其Class信息的hashcode都是相同的。

2、子加载器可见父加载器加载的类

这个更容易举例,核心类库的类由BootStrapClassLoder 加载的,比如String;由AppClassLoader所加载的类,都能使用String对吧?

3、父加载器不可见子加载器所加载的类

SPI技术的诞生也是这个原因,什么是SPI:程序运行过程中要用到的类,通过当前类加载器的自动加载,加载不到(不在当前类加载器的类资源管辖范围),如果要使用这个类,必须指定一个能够加载这个类的加载器去加载,而怎么获取这个加载器是个问题。

程序都是在线程中执行,那么从线程的上下文中去拿最合理,所以就诞生了线程上下文类加载器,这中场景下加载器就得采用非自动加载,即通过 forName 或者 loadClass 的方式去加载类。

下边通过示例+科技来验证加载不到的情况:

示例中有Parent类,Son类。Parent类中有个getSon方法中,会使用到Son类。 编译后,在classpath下,把Son类移到自定义子加载器的资源目录中,让AppClassLoader无法加载。

达到我们的运行环境要求:

  • 1. Parent由AppClassLoader加载
  • 2. Son由自定义的子加载器加载.
  • 3. 调用Parent的getSon方法的时候要new Son(),这样会触发Son类的加载,但是加载不到Son类,报错信息为:java.lang.NoClassDefFoundError: com/rock/Son
public class Parent {

    private Object son;

    public Object getSon(){
        return new Son();
    }
    public Object setSon(Object son){
        this.son = son;
        return this.son;
    }
}  
public class Son {
}
/**
 * 父加载器加载不了,子加载器所加载的类,
 * 父加载器加载Parent
 * 子加载器加载son
 * Parent#getSon 方法里 new Son()对象.//报错,找不到Son的类定义.
 */

@Test
public void testParentCanntFindSon(){
    CustomClassLoader01 customClassLoader01 = new CustomClassLoader01(ClassLoader.getSystemClassLoader());
    try {
        Class<?> classParent = customClassLoader01.loadClass("com.rock.Parent");
        System.out.println("classParent:" + classParent.getClassLoader());
        Class<?> classSon = customClassLoader01.loadClass("com.rock.Son");
        System.out.println("classSon:" + classSon.getClassLoader());
        Object objParent = classParent.newInstance();

        Object objSon = classSon.newInstance();
        
        Method setSon = classParent.getMethod("setSon",Object.class);
        Object resultSon = setSon.invoke(objParent, objSon);
        System.out.println(resultSon.getClass());
        System.out.println(resultSon.getClass().getClassLoader());

        try {
            Method getSon = classParent.getMethod("getSon");
            Object invoke = getSon.invoke(objParent);
            System.out.println(invoke.getClass().getClassLoader());
        }catch (Exception exp){
            //java.lang.NoClassDefFoundError: com/rock/Son
            exp.printStackTrace();
        }
    }catch (Exception exp){
        exp.printStackTrace();
    }
}

4、不同命名空间的类互相不可见

这个特征也通过实例来验证一下,自定义类加载器 new 出来两个实例,每个实例各自加载一次Man类,通过newInstance方式实例化出两个对象,对象之间互相调用setFather赋值就会报错。即a空间的不识别b空间的类,即使全限定名相同也不识别。这种特性所导致的坑你踩到过嘛?

public class Man {
    private Man father;
    public void setFather(Object obj){
        father = (Man)obj;
    }
}
@Test
public void testSifferentNamespaceClass(){
    CustomClassLoader01 customClassLoader01 = new CustomClassLoader01(ClassLoader.getSystemClassLoader());
    CustomClassLoader01 customClassLoader02 = new CustomClassLoader01(ClassLoader.getSystemClassLoader());
    try {
        Class<?> aClass1 = customClassLoader01.loadClass("com.rock.Man");
        System.out.println("class1 : " + aClass1.getClassLoader());
        System.out.println("class1 : " + aClass1.);

        Class<?> aClass2 = customClassLoader02.loadClass("com.rock.Man");
        System.out.println("class2 : " + aClass1.getClassLoader());
        System.out.println("class2 : " + aClass2);
        Object man1 = aClass1.newInstance();
        Object man2 = aClass2.newInstance();
        Method setFather = aClass1.getMethod("setFather", Object.class);
        setFather.invoke(man1,man2);


    }catch (Exception exp){
        exp.printStackTrace();
    }
}
class1 : com.rock.classLoader.CustomClassLoader01@1f28c152
class1 : 2006034581
class2 : com.rock.classLoader.CustomClassLoader01@1f28c152
class2 : 488044861
...
Caused by: java.lang.ClassCastException: com.rock.Man cannot be cast to com.rock.Man
at com.rock.Man.setFather(Man.java:6)
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