Java 双亲委派机制：深入理解类加载器的工作原理

引言

在 Java 中，类加载器（ClassLoader）是 JVM 的重要组成部分，负责将类的字节码加载到内存中并生成对应的 Class 对象。Java 的类加载器采用了一种称为 双亲委派机制（Parent Delegation Model） 的设计模式，这种机制不仅保证了类的唯一性，还增强了 Java 程序的安全性和稳定性。本文将深入探讨双亲委派机制的原理、实现及其重要性。

1. 什么是双亲委派机制？

双亲委派机制是 Java 类加载器的一种工作模式，其核心思想是：
当一个类加载器需要加载某个类时，它首先会委托其父类加载器去加载，只有在父类加载器无法加载时，才会尝试自己加载。

这种机制类似于“先问长辈，再自己动手”的逻辑，确保了类的加载过程是有序且安全的。

2. 类加载器的层次结构

在 Java 中，类加载器分为以下几类，它们之间存在层次关系：

Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）：
- 最顶层的类加载器，由 C/C++ 实现，负责加载 JVM 核心类库（如 java.lang.*、java.util.* 等）。
- 没有父类加载器。
Extension ClassLoader（扩展类加载器）：
- 负责加载 JAVA_HOME/lib/ext 目录下的类库，或由 java.ext.dirs 系统变量指定的路径。
- 父类加载器是 Bootstrap ClassLoader。
Application ClassLoader（应用程序类加载器）：
- 也称为系统类加载器（System ClassLoader），负责加载用户类路径（ClassPath）下的类。
- 父类加载器是 Extension ClassLoader。
自定义类加载器：
- 开发者可以继承 ClassLoader 类，实现自定义的类加载逻辑。
- 父类加载器是 Application ClassLoader。

3. 双亲委派机制的工作流程

当一个类加载器收到加载类的请求时，它会按照以下步骤处理：

委托父类加载器：
- 首先检查是否已经加载过该类，如果已加载则直接返回。
- 如果没有加载过，则将加载请求委托给父类加载器。
父类加载器尝试加载：
- 父类加载器重复同样的过程，继续向上委托，直到到达 Bootstrap ClassLoader。
自上而下尝试加载：
- 如果父类加载器无法加载该类（例如在指定路径下找不到类文件），则由子类加载器尝试加载。
加载成功或抛出异常：
- 如果某个类加载器成功加载了类，则返回对应的 Class 对象。
- 如果所有类加载器都无法加载该类，则抛出 ClassNotFoundException。

4. 双亲委派机制的代码实现

以下是 ClassLoader 类中双亲委派机制的核心代码（简化版）：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// 1. 检查是否已经加载过该类Class<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {try {// 2. 委托父类加载器加载if (parent != null) {c = parent.loadClass(name, false);} else {// 3. 如果父类加载器为 null，则委托 Bootstrap ClassLoaderc = findBootstrapClassOrNull(name);}} catch (ClassNotFoundException e) {// 父类加载器无法加载，忽略异常}// 4. 如果父类加载器未加载，则由当前类加载器加载if (c == null) {c = findClass(name);}}// 5. 如果需要解析，则解析该类if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}
}

5. 双亲委派机制的优势

1. 避免类的重复加载

通过委派机制，确保每个类只被加载一次，避免了类的重复加载和内存浪费。

2. 保证核心类库的安全性

核心类库（如 java.lang.*）由 Bootstrap ClassLoader 加载，避免了用户自定义类替换核心类的情况，增强了安全性。

3. 保证类的唯一性

同一个类在不同的类加载器中加载会生成不同的 Class 对象，双亲委派机制确保了类的唯一性。

6. 打破双亲委派机制的场景

虽然双亲委派机制是 Java 类加载的默认行为，但在某些场景下需要打破这种机制：

SPI（Service Provider Interface）：
- 例如 JDBC 的 DriverManager，需要加载由第三方实现的驱动类，这些类由 Bootstrap ClassLoader 加载，但 Bootstrap ClassLoader 无法直接加载用户类路径下的类，因此需要打破双亲委派机制。
热部署：
- 在某些应用服务器（如 Tomcat）中，为了实现热部署，需要为每个 Web 应用提供独立的类加载器。
OSGi 模块化：
- OSGi 框架采用了一种更灵活的类加载机制，允许模块之间的类加载器相互协作。

案例

package java.lang;
public class String {
public String toString(){
return "Hello";
}
public static void main(String[] args){
String s= new String();
s.toString();

这段代码为什么报错?

1. 双亲委派机制回顾

在 Java 中，类加载器采用双亲委派机制来加载类。其核心规则是：

当一个类加载器收到加载类的请求时，它首先会委托其父类加载器去加载。
只有当父类加载器无法加载时，子类加载器才会尝试自己加载。

Java 的核心类库（如 java.lang.String）是由 Bootstrap ClassLoader 加载的，而用户自定义的类通常由 Application ClassLoader 加载。

2. 代码问题分析

问题 1：包名和类名冲突

package java.lang;
public class String {
// 其他代码
}

问题：你定义了一个 java.lang.String 类，这与 Java 核心类库中的 java.lang.String 类完全冲突。
双亲委派机制的影响：
- 当 JVM 尝试加载 java.lang.String 时，会首先委托 Bootstrap ClassLoader 去加载。
- Bootstrap ClassLoader 会加载核心类库中的 java.lang.String，而不是你自定义的 String 类。
- 因此，你的 String 类永远不会被加载，导致后续代码无法正常运行。

问题 2：main 方法中的错误

String s = new String();
s.toString();

问题：
- 这里的 String 是核心类库中的 java.lang.String，而不是你自定义的 String 类。
- 由于双亲委派机制，JVM 加载的是核心类库中的 String，而不是你定义的 String。
- 因此，s.toString() 调用的是核心类库中 String 类的 toString 方法，而不是你自定义的 toString 方法。

3. 双亲委派机制的具体体现

类加载过程：
- 当 JVM 遇到 String s = new String(); 时，会尝试加载 java.lang.String 类。
- 根据双亲委派机制，加载请求会首先委托给 Bootstrap ClassLoader。
- Bootstrap ClassLoader 会加载核心类库中的 java.lang.String，而不是你自定义的 String 类。
结果：
- 你自定义的 String 类永远不会被加载，因此其中的 toString 方法也不会被调用。
- 最终，s.toString() 调用的是核心类库中 String 类的 toString 方法，而不是你期望的自定义方法。