双亲委派模型以及SpringFactoriesLoader详解（最全最简单的介绍）

文章目录

    前言
    类加载的过程
    类加载器
    何为双亲委派模型
        ClassLoader类的loadClass方法
    双亲委派模型存在的问题
        解决办法
            以JDBC驱动管理为例
        加载资源
        SpringFactoriesLoader详解
    总结

前言

前面我们介绍了JavaConfig和常用的Annotation,这一篇文章我们来聊聊SpringFactoriesLoader，在讲SpringFactoriesLoader之前我会先说到JVM的类加载器以及双亲委派模型。闲话少叙，直入主题。
类加载的过程

大致的步骤分为如下几步：

加载：使用类加载器从不同的地方加载二进制流到方法区
校验：为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求。
准备：在方法区为静态变量分配内存，并初始化默认值
解析：将符号引用替换成直接引用，（符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能够无歧义的定位到目标即可。直接引用可以是 1. 直接指向目标的指针、类变量、类方法；2、相对偏移量；3、一个能间接定位到目标的句柄。）
初始化：根据静态变量的赋值语法和静态代码块语法，生成一个初始化方法并执行。

类加载器

JVM一共有三种类加载器，分别是：

启动类加载器（BootstrapClassLoader）加载Java核心类库（%java.home%lib下面的核心类库 或 -Xbootclasspath选项指定的jar包）；
扩展类加载器（ExtClassLoader）加载扩展类库（%java.home%/lib/ext或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位置中的类库 ）；
应用类加载器（AppClassLoader）加载应用的类路径（用户类路径(java -classpath或-Djava.class.path变量所指的目录）下的类库。
类的继承关系如下图所示：

在这里插入图片描述

JVM通过双亲委派模型进行类的加载，我们可以通过继承java.lang.classLoader实现自己的类加载器。

何为双亲委派模型

当一个类加载器收到类加载任务时，会先交给自己的父加载器去完成，因此最终的加载任务都会传递到最顶层的BootstrapClassLoader（启动类加载器），只有当父加载器无法完成加载任务时，才会尝试自己来加载。事实上，大多数情况下，越基础的类由越上层的加载器进行加载。
其加载流程图如下：
在这里插入图片描述

下面就是ClassLoader类的loadClass方法
ClassLoader类的loadClass方法

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // First, check if the class has already been loaded
		//首先，检查该类是否已经被加载，如果从JVM缓存中找到该类，则直接返回。
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
				//遵循双亲委派的模型，首先通过递归从父加载器开始找
				//直到父类加载器是BootstrapClassLoader为止
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) { }

            if (c == null) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.
				//如果还找不到，则尝试通过findClass方法去寻找
				//findClass是留给开发者自己实现的，也就是说自定义类加载器时，
				//重写此方法即可。
                c = findClass(name);
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

采用双亲委派的一个好处主要有如下两点：

防止类被重复加载
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，通过这种层次关系可以避免类被重复加载， 当父类已经加载了该类时，子类就不会再加载一次。保证了使用不同类加载器最终得到的是同一个对象。
保证核心库的类型安全
Java核心api中定义的类不会被随意替换，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。

双亲委派模型存在的问题

使用双亲委派模型也存在一些问题，例如：Java提供了很多服务提供者接口(ServiceProvinderInterface,SPI),允许第三方为这些接口提供实现，常见的SPI有JDBC,JNDI等，这些SPI的接口由核心类库提供，却由第三方实现，这样就存在了一个问题：SPI的接口是Java核心库的一部分，是由BootStrapClassLoader加载的；SPI实现的Java类一般是由AppClassLoader来加载的。BootStrapClassLoader是无法找到SPI的实现类的。因为它只加载Java的核心库，它不能代理给AppClassLoader,因为他是最顶层的类加载器，也就是说，双亲委派模型并不能解决这个问题。那么如何解决这个问题呢？
解决办法

线程上下文加载器(ContextClassLoader)正好解决了这个问题。从名称上看，可能会误解为它是一种新的类加载器，实际上，它仅仅是Thread类的一个变量而已，可以通过setContextClassLoader(ClassLoadercl) 和getContextClassLoader()来设置和获取该对象，如果不做任何的设置。Java应用的线程上下文类加载器默认就是AppClassLoader。在核心类库使用SPI接口时，传递的类加载器使用线程上下文类加载器。就可以成功的加载到SPI实现的类。线程上下文类加载器在很多SPI的实现中都会用到。
以JDBC驱动管理为例

mysql-connector-java-6.0.6.jar 下的META-INF/services目录下有一个以接口全限定名（java.sql.Driver）为命名的文件,内容为实现类的全限定名。
在这里插入图片描述

主程序通过java.util.ServiceLoader动态装载实现模块，它通过扫描META-INF/services目录下的配置文件找到实现类的全限定名，把类加载到JVM中。需要注意的是SPI的实现类必须携带一个不带参数的构造方法，用于反射生成实例。如下：

public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver {
//
// Register ourselves with the DriverManager
//
static {
try {
java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver());
} catch (SQLException E) {
throw new RuntimeException(“Can’t register driver!”);
}
}

/**
 * Construct a new driver and register it with DriverManager
 *  
 */
public Driver() throws SQLException {
    // Required for Class.forName().newInstance()
}

}

ServiceLoader 类装载实现模块的代码如下：

public final class ServiceLoader
implements Iterable
{
private static final String PREFIX = “META-INF/services/”;
// The class loader used to locate, load, and instantiate providers
private final ClassLoader loader;
/**
* Creates a new service loader for the given service type, using the
* current thread’s {@linkplain java.lang.Thread#getContextClassLoader
* context class loader}.
*
* */
public static ServiceLoader load(Class service) {
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
return ServiceLoader.load(service, cl);
}
}

加载资源

类加载器除了加载Class外，还有一个非常重要的功能，就是加载资源，
它可以从jar包中读取任何资源文件，比如：ClassLoader.getResource(String name)方法就是用于读取jar包中的资源文件。

public Enumeration<URL> getResources(String name) throws IOException {
    Enumeration<URL>[] tmp = (Enumeration<URL>[]) new Enumeration<?>[2];
    if (parent != null) {
        tmp[0] = parent.getResources(name);
    } else {
        tmp[0] = getBootstrapResources(name);
    }
    tmp[1] = findResources(name);

    return new CompoundEnumeration<>(tmp);
}

它的逻辑其实跟类加载的逻辑是一样的。首先判断父类加载器是否为空，如果不为空则委托父类加载器执行资源查找任务，直到到达BootstrapClassLoader，只有当父类加载器找不到时，最后才轮到自己查找。而不同的类加载器负责扫描不同路径下的jar包。就如同加载class一样，最后会扫描所有的jar包，找到符合条件的资源文件。findResources(name)方法会遍历其负责加载的所有jar包。找到jar包中名称为name的资源文件，这里的资源可以是任何文件，甚至是.class文件。比如下面的实例：用于查找String.class文件。

//寻找String.class文件
public static void main(String[] args) throws IOException {
    String name = "java/lang/String.class";
    Enumeration<URL> urls = Thread.currentThread().getContextClassLoader().getResources(name);
    while (urls.hasMoreElements()) {
        URL url = urls.nextElement();
        System.out.println(url.toString());
    }
}

运行得到如下结果：

$JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar!/java/lang/String.class

SpringFactoriesLoader详解

说完了类加载器，以及双亲委派模型还有资源文件的查找，下面就开始介绍我们本篇文章的真正主角，SpringFactoriesLoader 它本质上属于Spring框架私有的一种扩展方案，类似于SPI，Spring Boot在Spring基础上的很多核心的功能都是基于此。根据资源文件的URL，就可以构造相应的文件来读取资源内容。

public static final String FACTORIES_RESOURCE_LOCATION = "META-INF/spring.factories";
//spring.factories文件的格式为：key=value1,value2,value3
//从所有的jar中找到META-INF/spring.factories文件
//然后，从文件中解析出key=factoryClass类名称的所有value值
public static List<String> loadFactoryNames(Class<?> factoryClass, ClassLoader classLoader) {
	String factoryClassName = factoryClass.getName();
		//获取资源文件的URL
		Enumeration<URL> urls = (classLoader != null ? classLoader.getResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION) :
				ClassLoader.getSystemResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION));
		List<String> result = new ArrayList<String>();
		//遍历所有的URL
		while (urls.hasMoreElements()) {
			URL url = urls.nextElement();
			//根据资源文件URL解析properties文件
			Properties properties = PropertiesLoaderUtils.loadProperties(new UrlResource(url));
			String factoryClassNames = properties.getProperty(factoryClassName);	
				//组装并返回

result.addAll(Arrays.asList(StringUtils.commaDelimitedListToStringArray(factoryClassNames)));
}
return result;
}
}

有了前面关于ClassLoader的知识铺垫，再来看上面的代码就简单了。首先从classpath下每个jar包下搜寻文件名是META-INF/spring.factories的配置文件，然后将解析properties文件，找到指定名称的配置后返回，需要注意的是，这里不仅仅是在classpath路径下查找，会扫描所有路径下的jar包，只不过这个文件只会在classpath下的jar包中。简单看下spring.factories吧。

// 来⾃ org.springframework.boot.autoconfigure下的META-INF/spring.factories
//EnableAutoConfiguration后文会讲到，它用于开启Spring Boot自动配置功能

Auto Configure

org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=
org.springframework.boot.autoconfigure.admin.SpringApplicationAdminJmxAutoConfiguration,
org.springframework.boot.autoconfigure.aop.AopAutoConfiguration,
org.springframework.boot.autoconfigure.amqp.RabbitAutoConfiguration,\

执行loadFactoryNames((EnableAutoConfiguration.class,classLoader)后，得到对应的一组@Configuration类，我们就可以通过反射实例化这些类然后注入到IOC容器中，最后容器里就有了一系列标注了@Cofiguration的JavaConfig形式的配置类。
总结

本文首先介绍了JVM中的三种类加载器，分别是启动类加载器，扩展类加载器，以及应用类加载器。然后说到了双亲委派模型以及它的缺点。根据它的缺点引出了线程上下文加载器(ContextClassLoader) 以及他在SPI的实现上的运用。最后就是详细介绍了SpringFactoriesLoader的实现原理。

作者：码农飞哥
微信公众号：码农飞哥