请解释Java中的类加载机制，并描述双亲委派模型的工作原理及其如何避免类重复加载 -

题目

请解释Java中的类加载机制，并描述双亲委派模型的工作原理及其如何避免类重复加载

信息

类型：问答
难度：⭐⭐

考点

类加载机制,双亲委派模型,类加载器

快速回答

Java类加载机制分为加载、链接、初始化三个阶段：

加载：查找字节码并创建Class对象
链接：包含验证、准备、解析三个子阶段
初始化：执行静态代码块和静态变量赋值

双亲委派模型工作原理：

类加载器收到请求后先委派给父类加载器
父加载器无法完成时才自己尝试加载
加载顺序：启动类加载器 → 扩展类加载器 → 应用类加载器 → 自定义加载器

避免重复加载：

父加载器已加载的类，子加载器不会重复加载
不同类加载器加载的相同类被视为不同类

## 解析

一、类加载机制核心流程

Java类加载分为三个阶段（详见java.lang.ClassLoader源码）：

加载（Loading）
- 通过全限定名获取二进制字节流
- 将字节流转化为方法区运行时数据结构
- 在堆中生成Class对象作为访问入口
链接（Linking）
- 验证：检查文件格式、元数据、字节码等（-Xverify:none可关闭）
- 准备：为静态变量分配内存并设默认值（如int=0）
- 解析：将符号引用转为直接引用（可选阶段）
初始化（Initialization）
- 执行<clinit>()方法，包含静态变量赋值和静态代码块
- 虚拟机保证父类先初始化（接口除外）

二、双亲委派模型原理

类加载器层次结构：

// 类加载器委派逻辑（简化版）
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 1. 检查是否已加载
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            try {
                // 2. 委派给父加载器
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {}

            // 3. 父加载器无法完成时自行加载
            if (c == null) {
                c = findClass(name); // 自定义加载器需重写此方法
            }
        }
        return c;
    }
}

加载器类型：

Bootstrap ClassLoader：加载JRE/lib核心库（C++实现）
Extension ClassLoader：加载JRE/lib/ext扩展库
Application ClassLoader：加载classpath下的类
Custom ClassLoader：用户自定义（如Tomcat的WebappClassLoader）

三、避免类重复加载的机制

关键设计：

向上委派优先：子加载器委托父加载器尝试加载，确保核心类只由Bootstrap加载器加载一次
类标识唯一性：相同全限定名 + 相同类加载器 = 唯一类标识
findLoadedClass检查：加载前先检查当前加载器是否已加载

示例场景：

// 尝试重复加载String类（将失败）
ClassLoader customLoader = new CustomClassLoader();
Class<?> cls1 = customLoader.loadClass("java.lang.String");
Class<?> cls2 = Class.forName("java.lang.String");
System.out.println(cls1 == cls2); // 输出true（实际是同一个类）

四、常见问题与最佳实践

常见错误：

破坏双亲委派导致核心库被篡改（如自定义java.lang.String）
不同类加载器加载同一类造成ClassCastException
未正确重写findClass()导致无限递归

最佳实践：

自定义类加载器应重写findClass()而非loadClass()
需要隔离加载时使用线程上下文类加载器（如JDBC驱动加载）
OSGi等模块化框架采用图结构委派替代双亲委派

五、扩展知识

打破双亲委派的场景：
- SPI机制（ServiceLoader使用线程上下文类加载器）
- 热部署（如Tomcat重写loadClass实现web应用隔离）
类卸载条件：
- 无实例存活
- Class对象无引用
- 加载器实例可回收
JDK9模块化影响：类加载器增加模块层（Layer）概念，委派逻辑更复杂