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JVM 类加载器之间的层次关系，以及类加载的委托机制

news 来源：原创 2025/8/3 6:30:40

JVM 类加载器之间存在一种层次关系，通常被称为双亲委派模型 (Parent Delegation Model)。这种层次关系和委托机制是 Java 类加载机制的核心，对于保证 Java 程序的安全性和避免类冲突至关重要。

1. 类加载器的层次关系:

JVM 中的类加载器（ClassLoader）主要分为以下几种，它们之间存在自顶向下的层次关系（父子关系，但不是继承关系，而是组合关系）：

启动类加载器 (Bootstrap Class Loader):
- 最顶层的类加载器。
- 负责加载 Java 核心类库，例如 java.lang、java.util、java.io 等包中的类（通常位于 <JAVA_HOME>/jre/lib 目录下的 rt.jar、resources.jar 等）。
- 用 C/C++ 实现，是 JVM 的一部分，不是 Java 类。
- 没有父类加载器。
- 无法通过 Java 代码直接获取到启动类加载器。
扩展类加载器 (Extension Class Loader):
- 父类加载器是启动类加载器。
- 负责加载 Java 扩展类库（通常位于 <JAVA_HOME>/jre/lib/ext 目录下的 jar 包，或者由 java.ext.dirs 系统属性指定的目录）。
- 是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 的实例（Java 类）。
应用程序类加载器 (Application Class Loader / System Class Loader):
- 父类加载器是扩展类加载器。
- 负责加载应用程序的类（classpath 下的类，包括你写的代码、第三方库等）。
- 是 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 的实例（Java 类）。
- 通常是默认的类加载器。 可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader() 获取。
自定义类加载器 (User-Defined Class Loader):
- 父类加载器通常是应用程序类加载器（也可以是其他自定义类加载器）。
- 由开发者自定义，继承 java.lang.ClassLoader 类。
- 用于实现特殊的类加载逻辑，例如：
  - 从网络加载类。
  - 从数据库加载类。
  - 对类进行加密和解密。
  - 实现热部署（HotSwap）。
  - 实现模块化（OSGi）。

类加载器层次关系图示：

                     +-----------------------------+|  Bootstrap Class Loader     |  (C/C++)+-----------------------------+↑|  (Parent)|+-----------------------------+|  Extension Class Loader     |  (sun.misc.Launcher$ExtClassLoader)+-----------------------------+↑|  (Parent)|+-----------------------------+| Application Class Loader    |  (sun.misc.Launcher$AppClassLoader)+-----------------------------+↑|  (Parent)|+-----------------------------+|  User-Defined Class Loader  |  (extends java.lang.ClassLoader)+-----------------------------+

2. 双亲委派模型 (Parent Delegation Model):

工作原理：
1. 当一个类加载器需要加载类时，它首先不会自己尝试加载，而是 委托给它的父类加载器 去加载。
2. 父类加载器会检查自己是否已经加载过该类。如果已经加载，则直接返回 Class 对象。
3. 如果父类加载器没有加载过该类，则会尝试加载。如果父类加载器在其搜索范围内找到了该类，则加载成功，并返回 Class 对象。
4. 如果父类加载器无法加载该类（在其搜索范围内找不到该类），则 将加载请求返回给子类加载器。
5. 子类加载器尝试加载该类。如果子类加载器能够加载，则加载成功，并返回 Class 对象。
6. 如果子类加载器也无法加载该类，则抛出 ClassNotFoundException 异常。
特例： 启动类加载器没有父类加载器，它会直接尝试加载。

代码示例 (简化版):

// java.lang.ClassLoader 中的 loadClass 方法 (简化版)
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// 1. 检查该类是否已经被加载过Class<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {try {// 2. 如果有父类加载器，则委托给父类加载器加载if (parent != null) {c = parent.loadClass(name, false);} else {// 3. 如果没有父类加载器 (到达了启动类加载器)，则调用 findBootstrapClassOrNullc = findBootstrapClassOrNull(name);}} catch (ClassNotFoundException e) {// 父类加载器无法加载该类}if (c == null) {// 4. 如果父类加载器无法加载，则调用 findClass 方法尝试自己加载c = findClass(name);}}if (resolve) {resolveClass(c); // 链接类 (可选)}return c;}
}

findClass() 方法是需要子类加载器重写的方法, 用于实现自定义的类加载逻辑.

3. 双亲委派模型的优点：

避免类的重复加载： 同一个类只会被加载一次，避免了命名冲突和资源浪费。
保证 Java 核心类库的安全性： 用户自定义的类加载器无法加载或替换 Java 核心类库中的类（例如 java.lang.Object、java.lang.String），因为核心类库总是由启动类加载器加载。这可以防止恶意代码篡改核心类库，破坏 JVM 的安全性。
命名空间隔离: 不同的类加载器加载的类位于不同的命名空间, 可以防止类名冲突.

4. 破坏双亲委派模型：

虽然双亲委派模型有很多优点，但在某些情况下，可能需要破坏双亲委派模型，例如：

JDBC、JNDI、JAXP 等 SPI (Service Provider Interface) 机制：
- 这些 API 的核心接口是由启动类加载器加载的，但具体的实现类通常由应用程序类加载器或自定义类加载器加载。
- 为了解决这个问题，Java 引入了线程上下文类加载器 (Thread Context ClassLoader)。
- 可以通过 Thread.currentThread().getContextClassLoader() 获取线程上下文类加载器。
- 例如，JDBC 驱动程序通常由应用程序类加载器加载，但 JDBC API (如 java.sql.DriverManager) 需要能够加载这些驱动程序。DriverManager 会使用线程上下文类加载器来加载驱动程序。
OSGi (Open Service Gateway initiative):
- OSGi 是一个模块化系统，每个模块（bundle）都有自己的类加载器。
- OSGi 的类加载器模型不是严格的双亲委派模型，而是更复杂的网状结构。
热部署 (HotSwap):
- 在应用程序运行时，动态地替换或更新类。
- 通常需要自定义类加载器，并破坏双亲委派模型。
Tomcat:
- Tomcat 为了实现 web 应用之间的隔离，以及共享库的加载，破坏了双亲委派模型。
- 每个 web 应用都有自己的类加载器 (WebAppClassLoader)。

总结：

JVM 类加载器之间存在层次关系（启动类加载器、扩展类加载器、应用程序类加载器、自定义类加载器），并通过双亲委派模型协同工作。双亲委派模型保证了类加载的顺序和安全性，避免了类的重复加载，并防止了核心类库被篡改。在某些特殊情况下，可能需要破坏双亲委派模型（例如，SPI、OSGi、热部署）。

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