【从零开始学习JVM | 第四篇】类加载器和双亲委派机制(高频面试题)

前言：

   双亲委派机制对于面试这块来说非常重要，在实际开发中也是经常遇见需要打破双亲委派的需求，今天我们一起来探索一下什么是双亲委派机制，在此之前我们先介绍一下类的加载器。

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前言：

类加载器

1. 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）

2. 扩展类加载器（Extension Class Loader）

3. 应用类加载器（Application Class Loader）

4. 自定义类加载器（Custom Class Loader）

双亲委派机制

1. 基本概念

（1）避免类重复加载

（2）保护核心 API

（3）实现类的隔离与模块化

工作流程

双亲委派机制源码解读：

ClassLoader 的四个核心方法

核心问题

总结

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类加载器

由于在jdk8以及之前没有模块化这个概念，所以jkd8之前和jdk9之后加载器有些变化，在这里介绍的是jdk8及之前的加载器。

在 Java 中，类加载器（Class Loader）负责将类的字节码（.class 文件）加载到 JVM 中。根据层级和职责，主要分为以下几类：

1. 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）

• 职责：加载 JVM 核心类库（如 java.lang.*、java.util.*），路径通常为 $JAVA_HOME/jre/lib。
• 特点：
  • 由 JVM 底层实现（C++ 编写），在 Java 代码中无法直接引用。
  • 加载最基础的类，确保 JVM 运行环境。

2. 扩展类加载器（Extension Class Loader）

• 职责：加载 Java 扩展库（如 javax.* 包），路径为 $JAVA_HOME/jre/lib/ext。
• 特点：
  • 是 java.lang.ClassLoader 的子类（Java 实现）。
  • 负责加载标准库之外的扩展功能。

3. 应用类加载器（Application Class Loader）

• 职责：加载用户类路径（classpath）下的类，即开发者编写的代码。
• 特点：
  • 是 ClassLoader 的子类，也称为系统类加载器。
  • 是 ClassLoader.getSystemClassLoader() 的返回值。

4. 自定义类加载器（Custom Class Loader）

• 职责：通过继承 java.lang.ClassLoader 实现，用于加载特殊来源的类（如网络、加密文件）。
• 常见场景：
  • 热部署（动态加载类）。
  • 加载自定义格式的字节码（如加密类）。
  • 实现类的隔离（如 OSGi 框架）。

注意点：不能认为一个加载器与其父类加载器的关系是继承，虽然有“父”。

需要注意的是如果我们尝试获取扩展类加载器的parent对象，得到的结果是null。并不是说其父类不是启动类加载器，只是因为启动类加载器属于JVM的一部分，使用C++实现，无法被获取到！ 

双亲委派机制

1. 基本概念

双亲委派指的是：当一个类加载器收到类加载请求时，它首先会将请求委派给父类加载器去尝试加载，而非立即自己加载。只有当父类加载器无法加载该类时，子类加载器才会尝试自己加载。

设计目的

（1）避免类重复加载

若多个类加载器都尝试加载同一个类，会导致内存中存在多个相同类的实例，破坏类型唯一性。双亲委派确保类只被加载一次。

（2）保护核心 API

例如，用户自定义的 java.lang.String 类不会被加载，因为 String 由启动类加载器加载。这防止恶意或错误代码覆盖 JVM 核心类，保障系统安全。

（3）实现类的隔离与模块化

不同类加载器可加载同名但不同路径的类（如插件系统），实现隔离性。例如，Web 容器（如 Tomcat）使用自定义类加载器实现多个应用的隔离。

核心原则：

• 向上委派：先让父类加载器尝试加载。
• 向下查找：父类无法加载时，子类再尝试。

工作流程

当类加载器（如 AppClassLoader）收到类加载请求时：

1. 检查缓存：首先检查该类是否已被加载。
2. 委派父类：若未加载，则将请求委派给父类加载器（如 ExtClassLoader）。
3. 递归委派：父类加载器重复步骤 1 和 2，直到到达启动类加载器。
4. 尝试加载：
   • 启动类加载器尝试加载该类，若成功则返回 Class 对象。
   • 若失败，则由扩展类加载器尝试，依此类推，直到子类加载器（如 AppClassLoader）。
5. 抛出异常：若所有类加载器都无法加载，则抛出 ClassNotFoundException。

双亲委派机制源码解读：

ClassLoader 的四个核心方法

• loadClass：负责整体调度，按层级查找类。
• findClass：具体去哪里找类（子类必须实现）。
• defineClass：把类文件的二进制内容变成 JVM 能懂的 Class 对象。
• resolveClass：解析类的内部结构，确保类能正常工作。

在加载类的时候会调用它，第一个参数是加载的类名，第二个参数是否需要解析类

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException{synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// First, check if the class has already been loadedClass<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {long t0 = System.nanoTime();try {if (parent != null) {c = parent.loadClass(name, false);} else {c = findBootstrapClassOrNull(name);}} catch (ClassNotFoundException e) {// ClassNotFoundException thrown if class not found// from the non-null parent class loader}if (c == null) {// If still not found, then invoke findClass in order// to find the class.long t1 = System.nanoTime();c = findClass(name);// this is the defining class loader; record the statsPerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);PerfCounter.getFindClasses().increment();}}if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}}

代码流程：

1. 获取加载的类，如果为空说明没有加载。
2. 进入第一个if，判断有无父类加载器，有就调用父类加载器加载。
3. 没有父类加载器说明需要用启动类加载器加载。
4. 第二个if表示父类加载器加载失败，则调用此时的子类加载器加载。

我们来看看findclass方法的源码

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {int index = name.indexOf(';');String cookie = "";if(index != -1) {cookie = name.substring(index, name.length());name = name.substring(0, index);}// check loaded JAR filestry {return super.findClass(name);} catch (ClassNotFoundException e) {}// Otherwise, try loading the class from the code base URL// 4668479: Option to turn off codebase lookup in AppletClassLoader// during resource requests. [stanley.ho]if (codebaseLookup == false)throw new ClassNotFoundException(name);//      final String path = name.replace('.', '/').concat(".class").concat(cookie);String encodedName = ParseUtil.encodePath(name.replace('.', '/'), false);final String path = (new StringBuffer(encodedName)).append(".class").append(cookie).toString();try {byte[] b = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedExceptionAction<byte[]>() {public byte[] run() throws IOException {try {URL finalURL = new URL(base, path);// Make sure the codebase won't be modifiedif (base.getProtocol().equals(finalURL.getProtocol()) &&base.getHost().equals(finalURL.getHost()) &&base.getPort() == finalURL.getPort()) {return getBytes(finalURL);}else {return null;}} catch (Exception e) {return null;}}}, acc);if (b != null) {return defineClass(name, b, 0, b.length, codesource);} else {throw new ClassNotFoundException(name);}} catch (PrivilegedActionException e) {throw new ClassNotFoundException(name, e.getException());}}

核心问题

什么是双亲委派机制?

1.在一个类加载器去加载一个类的时候，会自下而上去查找这个类有没有被加载过，如果都没有加载，就会自上而下去加载这个类，如果都无法加载就会抛出异常。

2.应用类加载器的父类是扩展类加载器，扩展类加载器的父类是启动类加载器。

3.双亲委派机制的核心是第一个确保类不会被重复加载，第二个避免恶意代码替换JDK的核心类库，保证核心类库的安全和完整。

总结

     双亲委派机制是 Java 安全模型的基石，它通过层级委派和缓存机制确保类的唯一性和安全性。理解该机制有助于排查类加载异常（如 NoClassDefFoundError），并设计出更健壮的框架和应用。

     我在学到defineClass的时候有一点疑问，在源代码执行过程中就已经编译成为了class文件，为什么还需要defineClass后来我发现，编译后的是class文件是二进制形式的，而defineClass是把它转换为JVM能识别的class对象。虽然都是class但是内容形式并不一样。

这也体现了写博客的好处，方便查漏补缺，感谢你们的阅读，你的阅读和点赞是我最大的动力。