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JVM 类加载器有哪些？双亲委派机制的作用是什么？如何自定义类加载器？

news 来源：原创 2025/5/14 8:54:08

类加载器分类

大家好，我是码哥，可以叫我靓仔，《Redis 高手心法》畅销书作者。

先回顾下，在 Java 中，类的初始化分为几个阶段: 加载、链接（包括验证、准备和解析）和 初始化。

而 类加载器（Class Loader）则是加载阶段中，负责将本地或网络中的指定类的二进制流，加载到 Java 虚拟机中的工具。

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引导类加载器 BootstrapClassLoader

引导类加载器 BootstrapClassLoader：引导类加载器是使用 C++ 语言实现的，嵌入在 JVM 中。用于加载 Java 中的核心类库的，不继承自 java.lang.ClassLoader，在 Java 程序中通常返回 null。

一般会加载 JAVA_HOME 目录下的 /jre/lib 文件夹下的 jar 和配置。

ClassLoader loader = String.class.getClassLoader();
System.out.println(loader); // 输出 null，因为 String 是由引导类加载器加载的

扩展类加载器 ExtClassLoader

扩展类加载器主要负责加载 Java 的扩展类库，一般会加载 JAVA_HOME 目录下的 /jre/lib/ext 文件夹下的 jar。

继承自 java.lang.ClassLoader，是用户可以访问的第一个类加载器。

ClassLoader extLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
System.out.println(extLoader); // 输出 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader

应用类加载器（Application ClassLoader）

应用类加载器是应用程序中默认的类加载器，可以加载 CLASSPATH 变量指定目录下的 jar，由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现。

并且一般情况下，我们编写的 Java 应用的类，都是使用该类加载器完成加载的。

ClassLoader appLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
System.out.println(appLoader); // 输出 sun.misc.Launcher$AppClassLoader

类加载器抽象类 `ClassLoader`

在 Java 中存在一个类加载器抽象类 ClassLoader，大多数类加载器都是通过继承这个类来实现的类加载功能。以下是 ClassLoader 类的关键部分代码:

public abstract class ClassLoader {/** 类加载器的父加载器*/private final ClassLoader parent;/*** 根据类的全限定名加载类** @param name 类名称* @return     加载的Class对象* @throws ClassNotFoundException 没有发现指定类异常*/public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {// 调用loadClass方法加载类，其中设置resolve=false，表示不立即解析类return loadClass(name, false);}/*** 根据类的全限定名加载类** @param name    类名称* @param resolve 是否解析这个类，true=解析，false=不解析* @return 加载的Class对象* @throws ClassNotFoundException 没有发现指定类异常*/protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// 检查类是否已经被加载Class<?> c = findLoadedClass(name);// 如果没有加载过if (c == null) {// 如果有父类加载器，则委托给父加载器去加载// 如果没有父类加载器，则判断 Bootstrap 类加载器是否加载过if (parent != null) {c = parent.loadClass(name, false);} else {c = findBootstrapClassOrNull(name);}// 如果父类加载器都加载失败，则当前类加载器尝试自行加载if (c == null) {c = findClass(name);}}// 据 resolve 参数决定是否解析类if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}}/*** 查找并加载指定名称的类** @param name 类名称* @return Class对象* @throws ClassNotFoundException 没有发现指定类异常*/protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {//1. 根据传入的类名，到在特定目录下去寻找类文件，把字节码文件读入内存// ...//2. 调用 defineClass 将字节数组转成 Class 对象return defineClass(buf, off, len)；}/*** 将一个 byte[] 转换为 Class 类的实例** @param name 类名称，如果不知道此名称，则该参数为 null* @param b    组成类数据的字节数组* @param off  类数据的起始偏移量* @param len  类数据的长度* @return Class对象* @throws ClassFormatError 类格式化异常*/protected final Class<?> defineClass(byte[] b, int off, int len) throws ClassFormatError {...}}

类中定义的常用的类加载相关的方法:

方法名称	描述
getParent()	返回该类加载器的父类加载器
loadClass(String name)	加载指定名称的类，返回 java.lang.Class 实例
findClass(String name)	查找指定名称的类，返回 java.lang.Class 实例
findLoadedClass(String name)	查找已加载的指定名称的类，返回 java.lang.Class 实例
defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)	将字节数组转换为一个 Java 类，返回 java.lang.Class 实例
resolveClass(Class c)	连接指定的 Java 类

双亲委派模型（Parent Delegation Model）

双亲委派模型 是类加载器的设计模式，其核心思想是：类加载请求由子类加载器向父类加载器逐层委派，直到引导类加载器。

如果父类加载器无法加载，子类加载器才会尝试加载。

如果子类加载器也无法加载该类，就会抛出一个 ClassNotFoundException 异常。

双亲委派机制的作用

我们试想一下，如果不使用这种委托模式，那我们就可以随时使用自定义的 String 类来动态替代 Java 核心 API 中定义的类型，这样会存在非常大的安全隐患。

而双亲委托的方式，就可以避免这种情况，因为 String 已经在启动时就被引导类加载器 (BootstrcpClassLoader) 加载，所以用户自定义的 ClassLoader 永远也无法加载一个用户自己自定义的 String 类，除非你改变 JDK 中 ClassLoader 搜索类的默认算法。

该机制的作用如下。

防止重复加载字节码文件: 将类加载请求先委托给父类，父类加载后子类就不会重复加载该类。所以，双亲委派机制可以防止对某个类重复加载；
防止核心字节码文件被篡改: 一般情况下引导类加载器会先加载 JVM 核心类库，然后其它加载器才会执行，如果其它加载器要加载一个被篡改的核心字节码文件，会将该文件委托给父类加载器，当委托到引导类加载器时，加载器已经加载过该类，就不会对该类进行重复加载。而且就算能被加载，那么加载它的肯定不是相同的类加载器 (不会是引导类加载器)，Java 虚拟机中只认可核心类加载器加载的核心类库，所以，双亲委派机制可以防止核心字节码文件被篡改。
简化加载逻辑: 通过委派模式，每个类加载器只需要关注自己负责的那部分类加载逻辑，而不必关心其他类加载器的加载细节，简化了类加载器的实现，降低了系统的复杂度。

自定义类加载器

在某些场景下，标准的类加载器无法满足需求，例如：

热部署：在 Web 服务器中动态加载或更新类。
模块隔离：在同一个 JVM 中加载不同版本的类。
加密解密：加载经过加密的 Class 文件。

默认的类加载器只能加载指定目录下的 Jar 和 Class 文件。

如果需要加载指定位置的类文件并实现一些自定义逻辑，就需要自定义类加载器。

Chaya：如何实现自定义类加载器？

步骤：

继承 java.lang.ClassLoader 类。
重写 findClass() 方法，通过字节流读取 Class 文件并转换为 Class 对象。

import java.io.*;public class MyClassLoader extends ClassLoader {@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {byte[] classData = loadClassData(name);if (classData == null) {throw new ClassNotFoundException();}return defineClass(name, classData, 0, classData.length);}private byte[] loadClassData(String name) {String fileName = name.replace('.', '/') + ".class";try (InputStream is = new FileInputStream(fileName);ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream()) {int buffer;while ((buffer = is.read()) != -1) {baos.write(buffer);}return baos.toByteArray();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();return null;}}
}

示例说明

findClass()：从文件系统加载 Class 文件，并将其定义为 Class 对象。
defineClass()：将字节数组转换为 JVM 可执行的 Class 对象。

为了为保证类加载器都正确实现双亲委派机制，在开发自己的类加载器时，只需要重写 findClass() 方法即可。

当然，如果不想使用双亲委派机制时，就需要重写 loadClass() 方法。

打破双亲委派模型

有时为了实现特殊功能，我们需要打破双亲委派模型，例如：

热部署框架：Tomcat、Spring Boot 使用自定义类加载器加载和卸载 Web 应用。
SPI（Service Provider Interface）机制：JDBC 驱动等需要通过 线程上下文类加载器 来加载用户实现的接口。

最后（Ending）

最后，顺带给大家介绍下，我的新书《Redis 高手心法》。

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作者简介

《Redis 高手心法》作者，InfoQ 签约作者、51CTO Top 红人。拥有 10 年互联网工作经验，作为后端架构师，擅长 Redis、Tomcat、Spring、Kafka、MySQL 技术，对分布式微服务架构有深入了解。

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