JVM类加载器(线程上下文类加载器和SPI机制)

双亲委派机制

工作原理：如果一个类加载器收到了类加载请求，它不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行，如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终到达顶层的启动类加载器，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式，即每个儿子都很懒，每次有活就丢给父亲去干，直到父亲说这件事我也干不了时，儿子自己才想办法去完成。

双亲委派机制的优势：采用双亲委派模式的是好处是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。其次是考虑到安全因素，java核心api中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Integer，而直接返回已加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。

如何打破双亲委派机制

1.重写loadClass()方法，因为双亲委派机制都是通过这个方法实现的，我们可以改写他的加载规则，就可以使用自定义的类加载器。

如果重新了loadClass()方法以后，我们可以自己写一个java.lang.String类，让自定义类加载器去加载我们自己写的String类，但是这个双亲委派机制可以打破，但是这个方案是不可行的，当加载我们自定义的String类时会抛出 -> java.lang.SecurityException：Prohibited package name：java.lang，java中做了一些安全检查，禁止我们命名java.lang包。

2.在Java应用中存在着很多服务提供者接口（Service Provider Interface，SPI），这些接口允许第三方为它们提供实现，如常见的 SPI 有 JDBC、JNDI等，这些 SPI 的接口属于 Java 核心库，一般存在rt.jar包中，由Bootstrap类加载器加载，而 SPI 的第三方实现代码则是作为Java应用所依赖的 jar 包被存放在classpath路径下，由于SPI接口中的代码经常需要加载具体的第三方实现类并调用其相关方法，但SPI的核心接口类是由引导类加载器来加载的，而Bootstrap类加载器无法直接加载SPI的实现类，同时由于双亲委派模式的存在，Bootstrap类加载器也无法反向委托AppClassLoader加载器SPI的实现类。在这种情况下，我们就需要一种特殊的类加载器来加载第三方的类库，而线程上下文类加载器就是很好的选择。

线程上下文类加载器（contextClassLoader）是从 JDK 1.2 开始引入的，我们可以通过java.lang.Thread类中的getContextClassLoader()和setContextClassLoader(ClassLoader cl)方法来获取和设置线程的上下文类加载器。如果没有手动设置上下文类加载器，线程将继承其父线程的上下文类加载器，初始线程的上下文类加载器是系统类加载器（AppClassLoader）,在线程中运行的代码可以通过此类加载器来加载类和资源

SPI：

是一种将服务接口与服务实现分离以达到解耦、大大提升了程序可扩展性的机制。引入服务提供者就是引入了spi接口的实现者，通过本地的注册发现获取到具体的实现类，轻松可插拔，JDK内置的一种服务提供调用机制。主要用处是不用改动源码就可以实现扩展。

SPI的全名为Service Provider Interface，主要是应用于厂商自定义组件或插件中。在java.util.ServiceLoader的文档里有比较详细的介绍。简单的总结下java SPI机制的思想：我们系统里抽象的各个模块，往往有很多不同的实现方案，比如日志模块、xml解析模块、jdbc模块等方案。面向的对象的设计里，我们一般推荐模块之间基于接口编程，模块之间不对实现类进行硬编码。一旦代码里涉及具体的实现类，就违反了可拔插的原则，如果需要替换一种实现，就需要修改代码。为了实现在模块装配的时候能不在程序里动态指明，这就需要一种服务发现机制。 Java SPI就是提供这样的一个机制：为某个接口寻找服务实现的机制。有点类似IOC的思想，就是将装配的控制权移到程序之外，在模块化设计中这个机制尤其重要。

SPI具体约定

Java SPI的具体约定为：当服务的提供者提供了服务接口的一种实现之后，在jar包的META-INF/services/目录里同时创建一个以服务接口命名的文件。该文件里就是实现该服务接口的具体实现类。而当外部程序装配这个模块的时候，就能通过该jar包META-INF/services/里的配置文件找到具体的实现类名，并装载实例化，完成模块的注入。基于这样一个约定就能很好的找到服务接口的实现类，而不需要再代码里制定。jdk提供服务实现查找的一个工具类：java.util.ServiceLoader。

JDBC案例分析：

// 加载Class到AppClassLoader（系统类加载器），然后注册驱动类
// Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver").newInstance(); 
String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/test";    
// 通过java库获取数据库连接
Connection conn = java.sql.DriverManager.getConnection(url, "name", "password"); 

以上就是mysql注册驱动及获取connection的过程，Class.forName是可以被注释掉的，因为从Java1.6开始自带的jdbc4.0版本已支持SPI服务加载机制，只要mysql的jar包在类路径中，就可以注册mysql驱动。

所以注册Mysql驱动的过程放在了DriverManager.getConnection()中，getConnection()是一个静态方法，调用静态方法时会初始化该类，并且执行其静态方法：

/**
 * Load the initial JDBC drivers by checking the System property
 * jdbc.properties and then use the {@code ServiceLoader} mechanism
 */
static {
    loadInitialDrivers();
    println("JDBC DriverManager initialized");
}

loadInitialDrivers()的代码如下：

private static void loadInitialDrivers() {
    String drivers;
    try {
        //读取系统属性
        drivers = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() {
            public String run() {
                return System.getProperty("jdbc.drivers");
            }
        });
    } catch (Exception ex) {
        drivers = null;
    }
    //通过SPI加载驱动类
    AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
        public Void run() {
            //加载Driver关联的服务实现（SPI）
            ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
            Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
            try{
                //调用的就是java.util.ServiceLoader.LazyIterator#hasNextService方法，代码在下
                while(driversIterator.hasNext()) {
                     //调用的就是java.util.ServiceLoader.LazyIterator#nextService方法，代码在下
                    driversIterator.next();
                }
            } catch(Throwable t) {
            // Do nothing
            }
            return null;
        }
    });
    println("DriverManager.initialize: jdbc.drivers = " + drivers);
    if (drivers == null || drivers.equals("")) {
        return;
    }
    String[] driversList = drivers.split(":");
    println("number of Drivers:" + driversList.length);
    for (String aDriver : driversList) {
        try {
            println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
            Class.forName(aDriver, true,
                    ClassLoader.getSystemClassLoader());
        } catch (Exception ex) {
            println("DriverManager.Initialize: load failed: " + ex);
        }
    }

private static final String PREFIX = "META-INF/services/";

private boolean hasNextService() {
    if (nextName != null) {
        return true;
    }
    if (configs == null) {
        try {
            //拼接 META-INF/services/java.sql.Driver 判断META-INF/services
            //下是否有文件
            String fullName = PREFIX + service.getName();
            if (loader == null)
                configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);
            else
                configs = loader.getResources(fullName);
        } catch (IOException x) {
            fail(service, "Error locating configuration files", x);
        }
    }
    while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
        if (!configs.hasMoreElements()) {
            return false;
        }
        pending = parse(service, configs.nextElement());
    }
    nextName = pending.next();
    return true;
}

private S nextService() {
    if (!hasNextService())
        throw new NoSuchElementException();
    String cn = nextName;//com.mysql.cj.jdbc.Driver，具体的实现类
    nextName = null;
    Class<?> c = null;
    try {
        //在这里就是调用之前注释掉的那句话。
        //cn = "com.mysql.cj.jdbc.Driver"，这个路径是在第三方包中
        c = Class.forName(cn, false, loader);
    } catch (ClassNotFoundException x) {
        fail(service,
             "Provider " + cn + " not found");
    }
    if (!service.isAssignableFrom(c)) {
        fail(service,
             "Provider " + cn  + " not a subtype");
    }
    try {
        S p = service.cast(c.newInstance());
        providers.put(cn, p);
        return p;
    } catch (Throwable x) {
        fail(service,
             "Provider " + cn + " could not be instantiated",
             x);
    }
    throw new Error();          // This cannot happen
}

此时我们看下

c = Class.forName(cn, false, loader);

中的classloader是怎么传入的，

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    //获取线程上下文类加载器（TCCL）
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

因为这句Class.forName(DriverName, false, loader)代码所在的类在java.util.ServiceLoader类中，ServiceLoader.class又在rt.jar中，是由BootrapLoader加载的，因此传给 forName 的 loader 必然不能是BootrapLoader，查看代码发现传入的是TCCL，也就是说把自己加载不了的类加载到TCCL中，而TCCL默认使用当前执行的是代码所在应用的系统类加载器AppClassLoader，也就是说通过系统类加载器加载com.mysql.cj.jdbc.Driver这个类。

我（JDK）提供了一种帮你（第三方实现者）加载服务（如数据库驱动、日志库）的便捷方式，只要你遵循约定（把类名写在/META-INF里），那当我启动时我会去扫描所有jar包里符合约定的类名，再调用forName加载，但我的ClassLoader是没法加载的，那就把它加载到当前执行线程的TCCL里，后续你想怎么操作（驱动实现类的static代码块）就是你的事了。

当我们用之前的方式主动去写时，会执行com.mysql.cj.jdbc.Driver中的静态代码块

Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver").newInstance(); 

static {
    try {
        java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver());
    } catch (SQLException E) {
        throw new RuntimeException("Can't register driver!");
    }
}

registerDriver方法将driver实例注册到系统的java.sql.DriverManager类中，保存在registeredDrivers 中。

private final static CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> registeredDrivers = new CopyOnWriteArrayList<>();

java.sql.DriverManager.getConnection()。它最终调用了以下方法：

private static Connection getConnection(
    String url, java.util.Properties info, Class<?> caller) throws SQLException {
    /*
     * When callerCl is null, we should check the application's
     * (which is invoking this class indirectly)
     * classloader, so that the JDBC driver class outside rt.jar
     * can be loaded from here.
     */
     /* 传入的caller由Reflection.getCallerClass()得到，该方法
      * 可获取到调用本方法的Class类，这儿获取到的是当前应用类加载器
      */
    ClassLoader callerCL = caller != null ? caller.getClassLoader() : null;
    synchronized(DriverManager.class) {
        // synchronize loading of the correct classloader.
        if (callerCL == null) {
            callerCL = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        }
    }

    if(url == null) {
        throw new SQLException("The url cannot be null", "08001");
    }

    println("DriverManager.getConnection(\"" + url + "\")");

    // Walk through the loaded registeredDrivers attempting to make a connection.
    // Remember the first exception that gets raised so we can reraise it.
    SQLException reason = null;
    // 遍历注册到registeredDrivers里的Driver类
    for(DriverInfo aDriver : registeredDrivers) {
        // If the caller does not have permission to load the driver then
        // skip it.
        // 检查Driver类有效性
        if(isDriverAllowed(aDriver.driver, callerCL)) {
            try {
                println("    trying " + aDriver.driver.getClass().getName());
                // 调用com.mysql.jdbc.Driver.connect方法获取连接
                Connection con = aDriver.driver.connect(url, info);
                if (con != null) {
                    // Success!
                    println("getConnection returning " + aDriver.driver.getClass().getName());
                    return (con);
                }
            } catch (SQLException ex) {
                if (reason == null) {
                    reason = ex;
                }
            }

        } else {
            println("    skipping: " + aDriver.getClass().getName());
        }

    }

    // if we got here nobody could connect.
    if (reason != null)    {
        println("getConnection failed: " + reason);
        throw reason;
    }

    println("getConnection: no suitable driver found for "+ url);
    throw new SQLException("No suitable driver found for "+ url, "08001");
}

private static boolean isDriverAllowed(Driver driver, ClassLoader classLoader) {
    boolean result = false;
    if(driver != null) {
        Class<?> aClass = null;
        try {
	    // 传入的classLoader为调用getConnetction的当前类加载器，从中寻找driver的class对象
            aClass =  Class.forName(driver.getClass().getName(), true, classLoader);
        } catch (Exception ex) {
            result = false;
        }
	// 注意，只有同一个类加载器中的Class使用==比较时才会相等，此处就是校验用户注册Driver时该Driver所属的类加载器与调用时的是否同一个
	// driver.getClass()拿到就是当初执行Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")时的应用AppClassLoader
        result = ( aClass == driver.getClass() ) ? true : false;
    }
    return result;
}