【Java面试宝典】你真的了解双亲委派机制吗

omenkk7
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深入理解 Java 类加载机制：从双亲委派到打破规则

在 Java 的面试和深入学习中，类加载机制和双亲委派模型是绕不开的核心考点。本文将带你系统性地梳理类加载器的体系、双亲委派的工作原理，以及如何在特殊场景下破坏这一规则。

一、 什么是类加载器？

类加载器的主要作用是将编译后的 字节码文件（.class） 加载到 JVM 内存中，是 Java 程序运行的基石。

在 JDK 8 及之前的版本中，核心类加载器主要分为以下几类：

  1. Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）

  • 职责：负责加载 Java 的核心类库，即 JAVA_HOME/jre/lib 目录下的类（包含 String、System 等核心类）。
  • 特点：它由 C/C++ 语言实现 ,存在于 JVM 内部，因此Java 程序无法直接获取和操作该加载器。

  1. Extension ClassLoader（扩展类加载器）

  • 职责：负责加载 JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录下的扩展类库。
  • 关系：其父加载器为 Bootstrap ClassLoader。

  1. Application ClassLoader（应用程序类加载器）

  • 职责：负责加载用户类路径（classpath）下的类库，也就是我们平时自己编写的代码和引入的第三方 Jar 包。
  • 关系：其父加载器为 Extension ClassLoader。它是程序中默认的类加载器。

  1. User ClassLoader（自定义类加载器）

  • 职责：用户可以继承 java.lang.ClassLoader 类来实现自定义加载规则。
  • 作用：主要用于实现类隔离、多版本共存，或者绕过双亲委派机制（例如优先加载自己的类）。
  • 关系：其父加载器通常默认为 Application ClassLoader。

二、 什么是双亲委派机制？

双亲委派模型（Parent Delegation Model）定义了类加载器在加载类时的协作行为。

  1. 工作过程

当一个类加载器收到了类加载的请求时，它不会首先自己去尝试加载这个类，而是按照以下步骤进行：

  1. 向上委派：将请求委派给父类加载器去完成，每一层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的 Bootstrap ****ClassLoader 中。
  2. 向下尝试：只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（即在它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

注意：这里类加载器之间的“父子关系”并非通过类的继承（Inheritance）实现，而是采用**组合模式（Composition）**复用父加载器的代码，这种设计更加灵活。

  1. 为什么采用双亲委派？（好处）

这种机制的设计主要为了保证 Java 程序的稳定性和安全性：

  • 保证类的唯一性 ： 当父加载器已经加载了某个类后，子加载器就没有必要再次加载。这确保了在 JVM 中，同一个类（全限定名相同）只会有一份字节码，避免了内存浪费和类型转换错误。
  • 保证类的安全性 ： 防止恶意代码篡改 Java 的核心类库。例如，如果用户自定义了一个 java.lang.String 类，根据双亲委派，JVM 依然会优先交给 Bootstrap ClassLoader 加载 JDK 原生的 String 类，从而保证了核心 API 不会被用户类覆盖。

三、 破坏双亲委派机制

虽然双亲委派模型对于保证 Java 程序的稳定至关重要，但它并非不可打破。

  1. 如何破坏？

实现双亲委派的核心逻辑都集中在 java.lang.ClassLoader 的 loadClass() 方法中。

  • 原逻辑：先检查是否已加载 -> 若未加载则调用父类 loadClass() -> 若父类加载失败则调用自己的 findClass()。
  • 破坏方法：我们只需要自定义 类加载器，并重写 loadClass() 方法，在其中改变“优先找父类”的逻辑（例如优先自己在特定目录下寻找），即可打破双亲委派。

  1. 经典案例：Tomcat 类加载机制

Tomcat 是一个典型的破坏双亲委派的案例。

为什么 Tomcat 要破坏双亲委派？

一个 Tomcat 容器可以同时运行多个 Web 应用程序（Context）。这就面临两个核心需求：

  1. 隔离性：不同的 Web 应用可能依赖同一个第三方类库的不同版本（例如 App1 依赖 Spring 4，App2 依赖 Spring 5）。如果采用默认的双亲委派，JVM 只能加载其中一个版本，导致另一个应用崩溃。
  2. 共享性：不同的 Web 应用可能依赖相同的通用类库（例如都使用相同的 JDBC 驱动），如果每个应用都加载一份，会造成大量的内存浪费。
Tomcat 的解决方案

Tomcat 设计了一套复杂的类加载体系：

  • WebAppClassLoader（实现隔离） ： Tomcat 为每个 Web 应用创建了独立的 WebAppClassLoader。 逻辑：它打破了双亲委派，加载类时，优先在当前 Web 应用的目录下（/ WEB-INF /classes 和 lib）查找和加载。只有在找不到时，才委托给父类加载器。 结果：即使全类名相同，只要是由不同的 WebAppClassLoader 加载的，JVM 也会视为两个不同的类，从而实现了应用间的隔离（多版本共存）。
  • SharedClassLoader（实现共享） ： 对于所有应用都通用的 Jar 包，Tomcat 提供了 SharedClassLoader。 逻辑：我们指定目录下（如 shared/lib）的类由它加载，供所有 Web 应用共享使用。 结果：避免了通用类库的重复加载，节省了方法区内存。

总结

双亲委派机制是 Java 类加载的“守门员”，它保证了核心类的安全和唯一。但在复杂的中间件（如 Tomcat）或插件化开发场景中，我们需要打破这一规则，利用自定义类加载器实现类的隔离与灵活加载。

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