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6. 什么是双亲委派模型？它如何确保类的安全加载？

PangHu大约 4 分钟

双亲委派模型（Parent Delegation Model） 是 Java 中类加载机制的重要设计模式。它通过分层次的类加载器结构和委派机制，确保了 Java 类的安全加载，防止核心类库被篡改或替换。

1. Java 类加载器

在 Java 中，类加载器负责将 .class 文件加载到 JVM 中。Java 中有几种主要的类加载器：

  • Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）：
    • 是 JVM 自带的最顶层的类加载器，用于加载核心类库（如 rt.jar），如 java.lang.*、java.util.*等核心类。
    • 它是用原生代码实现的，负责加载 JDK 中的核心类。
  • Extension ClassLoader（扩展类加载器）：
    • 负责加载扩展类库，通常位于 JAVA_HOME/lib/ext 目录下的类库。
    • 它由 Java 实现，通常是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 的实例。
  • Application ClassLoader（应用程序类加载器）：
    • 也称为系统类加载器，负责加载应用程序类路径（CLASSPATH）下的类和库。
    • 它也是由 Java 实现的，通常是 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 的实例。

2. 双亲委派模型的工作原理

双亲委派模型的核心思想是：一个类加载器在加载类时，首先将类加载请求委派给父类加载器进行加载。只有当父类加载器无法完成加载时，才由子加载器自己加载。

具体步骤如下：

  1. 类加载请求：当某个类加载器（例如 Application ClassLoader）接收到加载类的请求时，首先不会自己尝试加载，而是将请求委派给它的父类加载器（例如 Extension ClassLoader）。
  2. 逐级委派：Extension ClassLoader 同样会将请求委派给它的父类加载器，即 Bootstrap ClassLoader。
  3. 尝试加载：Bootstrap ClassLoader 会尝试加载这个类。如果加载成功，则加载过程结束，类加载器链中的所有加载器都会共享这个类。
  4. 无法加载：如果 Bootstrap ClassLoader 无法加载该类，加载请求会返回给 Extension ClassLoader，然后 Extension ClassLoader 会尝试加载。
  5. 逐级返回：如果 Extension ClassLoader 也无法加载，加载请求最终会返回给最初的 Application ClassLoader，由它尝试加载。
  6. 加载失败：如果所有类加载器都无法加载该类，则抛出 ClassNotFoundException。

3. 双亲委派模型的优势

1. 确保核心类库安全

双亲委派模型能够有效防止核心类库被篡改或替换。例如，java.lang.String 是由 Bootstrap ClassLoader 加载的，如果应用程序中的类加载器想要加载自己定义的 java.lang.String 类，它的加载请求会首先被委派给 Bootstrap ClassLoader。由于 Bootstrap ClassLoader 已经加载了真正的 String 类，因此应用程序无法加载一个伪造的 String 类。这种机制保证了 Java 核心类库的安全性和一致性。

2. 避免类的重复加载

双亲委派模型还能够避免类的重复加载。通过委派机制，JVM 能够确保同一个类在同一个类加载器层次中只被加载一次，从而节省内存，并且防止类的重复定义导致的冲突。

4. 双亲委派模型的实现与应用

在 Java 中，自定义类加载器时，通常通过继承 ClassLoader 类并重写 findClass() 方法来实现。ClassLoader 类本身已经实现了双亲委派机制。

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // 先委派给父类加载器进行加载
        return super.findClass(name);
    }
}

自定义类加载器在调用 findClass() 方法之前，会首先调用 loadClass() 方法，而 loadClass() 方法已经内置了双亲委派逻辑。一般情况下，loadClass() 方法不需要被重写。

5. 双亲委派模型的局限性与灵活性

尽管双亲委派模型能够有效保护核心类库，防止类的重复加载，但在某些情况下，需要打破这个模型，例如：

  • 类热替换：一些框架（如 OSGi、JSP、Tomcat 的 Web 应用热部署）可能需要支持类的热替换或多版本共存，这些场景下可能需要自定义类加载器，不使用双亲委派模型。
  • 插件机制：某些插件框架可能需要加载与主程序版本不同的库，这时需要灵活调整类加载器策略。

为了实现这些需求，自定义类加载器可以选择不完全遵循双亲委派模型，直接在子类加载器中实现类的加载逻辑。

总结

双亲委派模型 是 Java 类加载机制的重要组成部分，通过委派机制保证了核心类库的安全加载，避免了类的重复加载问题。它是 Java 运行时环境的安全性和稳定性的关键保证。在日常 Java 开发中，大多数情况下都无需修改双亲委派模型，除非在一些特定场景下，如插件机制或类热替换等，需要自定义类加载器的行为。