详解Java类加载器与双亲委派机制

Java类加载器是Java虚拟机（JVM）的一个重要组成部分。类加载器负责将class文件从文件系统、网络等位置加载到内存中的虚拟机中，从而使得Java程序能够正确运行。在Java中，类加载器采用了“双亲委派机制”（Parent Delegation Model）来管理和加载类。

双亲委派机制

Java类加载器通过双亲委派机制来管理和加载类。这种机制的基本思想是，当一个类加载器需要加载某个类时，它首先会委派给它的父加载器来尝试加载该类。如果父加载器无法加载该类，才会由该加载器自己来加载。这个过程会一直持续下去，直到顶层的父加载器（Bootstrap ClassLoader）无法加载该类。如果仍然无法找到该类的定义，就会抛出ClassNotFoundException。

双亲委派机制的好处在于，它保证了Java类的统一性。由于父加载器会优先加载类，所以相同的类只会被加载一次。同时，由于每个类加载器都只加载比它自己所处的层次更低的类，因此可以保证类加载器的完全独立性。

类加载器的种类

Java虚拟机中内置了三个类加载器：Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和System ClassLoader。

• Bootstrap ClassLoader：也称为根加载器，是Java虚拟机内置的类加载器，用于加载核心类库。它并不是一个普通的Java类，它由C++编写，通常表示为null。Bootstrap ClassLoader不需要父加载器。
• Extension ClassLoader：用于加载Java的扩展类库，它是由Java编写的类加载器，是System ClassLoader的父加载器。它会从java.ext.dirs系统属性指定的目录中加载类文件。
• System ClassLoader：也称为应用程序类加载器，用于加载应用程序的类文件。它是由Java编写的类加载器，是Extension ClassLoader的父加载器。它会从CLASSPATH环境变量指定的目录中加载类文件。

当Java虚拟机启动时，会将Bootstrap ClassLoader作为根加载器创建，并所有其他的类加载器都是由它派生出来的。

加载器示例一

假设我们有项目结构如下：

Project
├── com
│   └── example
│       └── Demo.class
└── Test.class

其中，Test类中引用了Demo类。

我们创建一个自定义的类加载器，如下所示：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        if ("com.example.Demo".equals(name)) {
            byte[] bytes = loadClassData(name);
            return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
        }
        return super.loadClass(name);
    }

    private byte[] loadClassData(String className) throws ClassNotFoundException {
        try {
            InputStream is = getClass().getClassLoader().getResourceAsStream(className.replace(".", "/") + ".class");
            ByteArrayOutputStream byteStream = new ByteArrayOutputStream();
            int nextValue = is.read();
            while (nextValue != -1) {
                byteStream.write(nextValue);
                nextValue = is.read();
            }
            return byteStream.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException("Class file not found: " + className, e);
        }
    }
}

然后我们在Test类中，使用我们自定义的类加载器加载Demo类：

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.example.Demo");
        Object obj = clazz.newInstance();
        System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
    }
}

运行结果为：

com.example.MyClassLoader@xxxxxx

我们发现，Demo类由我们自定义的类加载器MyClassLoader加载，而不是默认的系统类加载器。这是因为我们在自定义的类加载器中，重写了loadClass方法，并指定了Demo类的加载方式。

加载器示例二

现在我们将Demo类放在$JAVA_HOME/lib目录下，然后在程序中尝试加载它：

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {
        Class<?> clazz = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("com.example.Demo");
        Object obj = clazz.newInstance();
        System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
    }
}

运行结果为：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@xxxxxx

我们发现，Demo类由系统类加载器加载。这是因为系统类加载器是Extension ClassLoader的子类，而Demo类在$JAVA_HOME/lib目录下，它正是Extension ClassLoader所加载的类的范畴。

总结

Java类加载器和双亲委派机制是Java虚拟机的核心部分，它保证了Java类的统一性，并且为我们提供了非常灵活的扩展机制。对于开发人员而言，我们可以通过自定义类加载器的方式，来实现独立的类加载环境，从而更好地管理和保护我们的代码。