JVM 类加载器详解 - 实践

JVM 类加载器详解

如果要确定两个类是否相同，必须满足以下三点:

1. 同路径
2. 同名
3. 由同一个类加载器创建

即使是同路径同名的 class 类，要是被不同的类加载器加载那也是不同的

一、类加载器分类及作用

JVM 类加载器分为四类，按层级从上到下依次为：

类加载器	作用	加载路径/范围	实现语言
启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）	加载 JVM 核心类库（如 java.lang.*、java.util.*），唯一不继承 ClassLoader 的加载器	JAVA_HOME/jre/lib 下的核心 jar 包（如 rt.jar）	C/C++
扩展类加载器（Extension ClassLoader）	加载 JVM 扩展类库（如 javax.*）	JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录下的 jar 包	Java
应用程序类加载器（Application ClassLoader）	加载用户类路径（ClassPath）下的类（如项目代码、第三方依赖）	由 -classpath 或 -cp 指定的路径	Java
自定义类加载器（Custom ClassLoader）	用户自定义类加载逻辑（如热部署、网络加载、加密类加载）	由用户代码搭建	Java

---

二、双亲委派机制

1. 核心流程

当类加载器收到加载请求时，按以下步骤处理：

1. 向上委派：
   不直接加载类，而是先委派父类加载器处理。
2. 向下尝试：
   若父类加载器无法完成加载（在自己的搜索范围内找不到类），子类加载器才会尝试加载。

2. 流程示例

具体实现依赖于**ClassLoader.loadClass()**

protected Class<
?> loadClass(String name， boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 1. 检查是否已加载
Class<
?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
try {
// 2. 先委派父加载器加载
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name， false);
// 递归调用父加载器
} else {
// 父加载器为 null，表示到达 Bootstrap 类加载器
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// 父加载器加载失败，继续向下执行
}
if (c == null) {
// 3. 父加载器未找到，由当前类加载器加载
c = findClass(name);
}
}
return c;
}
}

• 用户自定义类 MyClass 的加载过程：
  1. Application ClassLoader → 委派给 Extension ClassLoader。
  2. Extension ClassLoader → 委派给 Bootstrap ClassLoader。
  3. Bootstrap ClassLoader 未找到 MyClass → 返回 Extension ClassLoader。
  4. Extension ClassLoader 未找到 MyClass → 返回 Application ClassLoader。
  5. Application ClassLoader 在 ClassPath 中找到并加载 MyClass。

3. 核心意义

• 避免重复加载：确保类在 JVM 中唯一（由父加载器优先加载）。对于避免重复加载，双亲委派通过委派链确保每个类由最顶层的父加载器优先尝试加载，如果已经加载过，就直接返回，不会再让子加载器处理。
• 保护核心类安全：防止用户自定义同名类（如 java.lang.String）覆盖 JVM 核心类。类加载过程会由启动类加载器强制优先加载核心类，加载后就会直接返回，所以子类无法通过自定义同名类来覆盖核心类

---

三、打破双亲委派机制的场景

1. 经典场景

• SPI 服务发现：
  JDBC 的 DriverManager 需要加载不同厂商的数据库驱动（如 MySQL、Oracle）。

  • 问题：启动类加载器想要加载不在自己加载路径下(范围内)的类,即跨级加载子加载器的类

    核心类 DriverManager（由 Bootstrap ClassLoader 加载）需调用第三方驱动的实现类（由 Application ClassLoader 加载,其位置并不在启动类加载器的扫描路径下），但双亲委派机制禁止父加载器访问子加载器的类。

  • 解决方案：将类加载器切换为线程上下文类加载器，将加载权临时交给子类加载器。

2. 如何打破双亲委派？

• 重写 loadClass() 方法：
  自定义类加载器不委派父加载器，直接加载类。
• 线程上下文类加载器：
  通过 Thread.currentThread().setContextClassLoader() 临时切换类加载器。

以下是java发展历程中的三次打破双亲委派机制

第一次破坏：JDK 1.2 之前的“远古时代”

• 背景：
  在 JDK 1.2 引入双亲委派模型之前，类加载器的实现没有统一规范。开发者通常直接重写 loadClass() 方法，直接实现类加载逻辑，​未形成层级委派机制。
• 问题：
  • 类加载逻辑混乱，容易重复加载或覆盖核心类。
  • 缺乏统一的委派规则，导致类加载器之间的协作困难。
• JDK 1.2 的改进：
  • 正式提出双亲委派模型，规范类加载流程。
  • 建议开发者仅重写 findClass()：
    loadClass() 方法默认实现委派逻辑，而 findClass() 仅负责具体类查找（如从自定义路径加载字节码）。开发者只需重写 findClass() 即可实现扩展，无需破坏委派机制。
• 意义：
  通过约束开发者仅扩展 findClass()，避免直接干预委派流程，从而维护双亲委派的核心规则。

---

第二次破坏：模型自身的缺陷（基础类型回调用户代码）

• 背景：
  双亲委派模型要求父加载器优先加载类，但某些场景下，​父加载器加载的类需要调用子加载器加载的构建类，导致无法直接借助委派机制实现。

• 典型案例：

  • JDBC SPI（如 DriverManager）：

    • DriverManager（由 Bootstrap ClassLoader 加载）需要加载不同数据库厂商的 Driver 实现类（由 Application ClassLoader 加载）。

  • 按双亲委派规则，父加载器（Bootstrap）无法直接访问子加载器（Application）的类，导致驱动无法加载。

• 解决方案：

  • 线程上下文类加载器（TCCL）：
    通过 Thread.currentThread().setContextClassLoader() 将类加载器切换为子加载器（如 Application ClassLoader），使父加载器代码可间接访问子加载器的类。

• 意义：
  通过打破双亲委派，解决了核心库（如 JDBC）需要动态扩展的难题，但需谨慎使用以避免安全风险。

---

第三次破坏：动态性需求（热替换、模块热部署）

• 背景：
  现代应用对 ​动态性的要求需要更灵活的类加载机制，而双亲委派的层级化模型无法满足。

• 典型案例：

  Tomcat 热部署：

  • 每个 Web 应用使用独立的 WebappClassLoader，重启应用时直接替换类加载器，实现代码热替换。

• 意义：
  牺牲双亲委派的部分安全性，换取系统的高灵活性和动态性，适应云原生、微服务等现代架构需求。

---

四 、自定义类加载器

使用场景

• 想加载非 classpath 随意路径中的类文件
• 借助接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计和SPI思想
• 这些类希望予以隔离，不同应用的同名类都可以加载违背双委机制的意义1)，不冲突，常见于 tomcat 容器就是(其实就

步骤

1. 继承 ClassLoader 父类
2. 要遵从双亲委派机制，重写findClass技巧(不是重写 loadClass 方法，否则不会走双亲委派机制)
3. 读取类文件的字节码，调用父类的 defineClass 方法来加载类
4. 使用者调用该类加载器的 loadClass 方法

补充问题

为什么tomcat要自定义类加载器?

1. 无法隔离不同web应用的类

   比如两个web应用分别依赖同一个库的不同版本（如 log4j 1.x 和 log4j 2.x）

   若遵循双亲委派：

   1. 父加载器加载 log4j-1.2.17.jar。
   2. 应用 2 的类加载器委托父加载器时，发现 Log4j 类已加载，被迫使用旧版本，导致兼容性问题。

   打破双亲委派后：

   1. 应用 2 的 WebApp ClassLoader 优先加载自己的 log4j-2.14.1.jar。
   2. 两个应用利用各自版本的 Log4j，互不干扰。

2. 无法支持热部署

   Web 应用要求在不重启 Tomcat 的情况下重新加载类，但双亲委派模型下，一旦类被父加载器加载，无法卸载和重新加载。

   • tomcat内部是启用WebApp ClassLoader，每个web应用都会独立使用一个类加载器

   • 委派给父加载器就是在加载类时，先检查本地缓存，再尝试自己加载，然后才

   • 这样在 Web 应用重启时，Tomcat 会销毁旧的 WebApp ClassLoader，并创建新的类加载器重新加载类，旧的类可被 GC 回收，实现热部署。

jvm中类加载后怎么卸载,什么时候卸载?

卸载类即该类的Class 对象被 GC，卸载类必须满足3个要求:

1. 该类的所有的实例对象都已被 GC，也就是说堆不存在该类的实例对象
2. 该类没有在其他任何地方被引用
3. 该类的类加载器的实例已被 GC，一般是可替换类加载器的场景

注:

• 类加载器本身必须被垃圾回收，其加载的类才被卸载
• 在 JVM 生命周期类，由 JVM 自带的类加载器加载的类是不会被卸载的，自定义的类加载器加载的类是可能被卸载。因为 JVM 会始终引用启动、扩展、体系类加载器，这些类加载器始终引用它们所加载的类，这些类始终是可及的

因此回到困难本身:

1.只有类加载器被卸载,类没有实例且class对象没有被引用才会被卸载

三个条件全部满足时被GC回收就是2.卸载方式