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我敢打賭大家在開發(fā)過程中經(jīng)常碰到一些類加載的問題，比如：

ClassNotFoundException

Cause: java.lang.ClassNotFoundException: Cannot find class: com.cc.A 

NoClassDefFoundError

Cause: java.lang.NoClassDefFoundError: Cannot find class: com.cc.A 

上述問題均和java類加載有關(guān)，如果不清楚JVM中類加載的原理，上述問題會(huì)讓人郁悶至極，僥幸在網(wǎng)上找到解決方案也只是暫時(shí)解決問題，后續(xù)在另外的場(chǎng)景中碰到又會(huì)繼續(xù)懵逼。

我這篇文章將對(duì) Java 類加載器的雙親委派加載原理進(jìn)行闡述，并結(jié)合實(shí)例程序深究類的雙親委派加載機(jī)制，大家徹底了解掌握類加載原理，清楚了類加載原理后，碰到上述類似問題就能快速解決，并在后續(xù)開發(fā)中避免類似問題。

什么是Java類加載?

java類加載器負(fù)責(zé)將編譯好的 Java class 件加載到 Java 虛擬機(jī)(JVM)中的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)中，供執(zhí)行引擎調(diào)用。

java類加載在JVM體系結(jié)構(gòu)中的位置如圖所示：

jvm體系結(jié)構(gòu)原圖

沒有類加載機(jī)制，編寫的java程序就沒法在JVM中運(yùn)行，因此掌握java類加載是非常重要的。

JVM類加載層級(jí)關(guān)系

執(zhí)行java程序時(shí)，會(huì)啟動(dòng)一個(gè)JVM進(jìn)程，JVM在啟動(dòng)時(shí)會(huì)做一些初始化操作，比如獲取系統(tǒng)參數(shù)等等，然后創(chuàng)建一個(gè)啟動(dòng)類加載器，用于加載JVM運(yùn)行時(shí)必須的一些類到內(nèi)存中，同時(shí)也會(huì)創(chuàng)建其他兩個(gè)類加載器擴(kuò)展類加載器和系統(tǒng)類加載器。

啟動(dòng)類加載器、擴(kuò)展類加載器和系統(tǒng)類加載器之間的關(guān)系如下圖所示：

jvm內(nèi)置classLoader

• **啟動(dòng)類加載器：**java虛擬機(jī)啟動(dòng)后創(chuàng)建的第一個(gè)類加載器，由C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，所以我們?cè)趈ava代碼中查看其信息時(shí)，看到的均為null。
• 擴(kuò)展類加載器：由啟動(dòng)類加載器加載，并將擴(kuò)展類加載器中的parent的值設(shè)置為null(表示指向啟動(dòng)類加載器)，同時(shí)繼承自URLClassLoader。
• 系統(tǒng)類加載器：由啟動(dòng)類加載器加載，并將系統(tǒng)類加載期中的parent的值設(shè)置為上述創(chuàng)建的擴(kuò)展類加載器。，同時(shí)繼承自URLClassLoader。

在代碼中可以通過如下方式查看類加載中的parent指向：

代碼查看類加載器的parent

注意：這里的parent不是java的繼承機(jī)制，而是類加載器中的一個(gè)實(shí)例屬性，用于在類加載時(shí)的委托對(duì)象，parent屬性定義在其所繼承的ClassLoader中，定義如下所示。

public abstract class ClassLoader { 
   .................... 
    // The parent class loader for delegation 
    private final ClassLoader parent; 

JVM類加載的默認(rèn)加載路徑

每種類型的類加載器默認(rèn)都會(huì)有自己的加載路徑，啟動(dòng)類加載器、擴(kuò)展類加載器和系統(tǒng)類加載器的默認(rèn)加載路徑如下圖所示：

三種類加載器的加載路徑

如上圖所示：

1、啟動(dòng)類加載器(BootClassLoader)由C++語(yǔ)言編寫，負(fù)責(zé)在JVM啟動(dòng)時(shí)加載jdk自身的一些核心class類(jar包形式)到JVM中，加載時(shí)尋找資源的路徑由只讀系統(tǒng)屬性：”sun.boot.class.path“ 指定，一般為：”JAVA_HOME/jre/classes“目錄(在該目錄下只能放class文件，jar包形式文件不生效)。

查看啟動(dòng)類加載類加載路徑可以通過獲取系統(tǒng)屬性：”sun.boot.class.path“進(jìn)行查看，如圖所示：

lancher中設(shè)置啟動(dòng)類加載路徑

啟動(dòng)類加載器加載路徑

2、擴(kuò)展類加載器(ExtClassLoader)，負(fù)責(zé)加載位于系統(tǒng)屬性："java.ext.dirs"指向的目錄下加載class文件(jar包或者直接class文件形式)到JVM中，比如通常ext類加載路徑為：”$JAVA_HOMEx/jre/lib/ext“ 。

支持在JVM啟動(dòng)之前進(jìn)行修改路徑，運(yùn)行中修改路徑不生效，擴(kuò)展類路徑中僅支持jar包的加載。

查看擴(kuò)展類加載器的類加載路徑可以通過獲取系統(tǒng)屬性：”java.ext.dirs“進(jìn)行查看或向上轉(zhuǎn)型為URLClassLoader(上面說擴(kuò)展類加載器繼承自URLClassLoader)，查看位于父類URLClassLoader中urls屬性的方式進(jìn)行查看，如圖所示：

擴(kuò)展類加載器路徑

3、系統(tǒng)類加載器(AppClassLoader)，負(fù)責(zé)加載應(yīng)用classpath路徑下的class文件(jar包或者直接class文件形式)到JVM中，當(dāng)系統(tǒng)中沒有設(shè)置classpath路徑時(shí)，默認(rèn)加載當(dāng)前路徑下的class文件。

查看系統(tǒng)類加載器的類加載路徑可以通過獲取系統(tǒng)屬性：”java.class.path“進(jìn)行查看或向上轉(zhuǎn)型為URLClassLoader上面說擴(kuò)展類加載器繼承自URLClassLoader)，查看位于父類URLClassLoader中urls屬性的方式進(jìn)行查看，如圖所示：

系統(tǒng)類加載路徑

JVM類加載雙親委托機(jī)制

JVM加載class類文件到虛擬機(jī)時(shí)，默認(rèn)首先采用系統(tǒng)類加載器去加載用到的class類，采用的是雙親委托加載機(jī)制。

所謂雙親委托，顧名思義，就是當(dāng)前類加載器(以系統(tǒng)類加載器為例)在加載一個(gè)類時(shí)，委托給其雙親(注意這里的雙親指的是類加載器中parent屬性指向的類加載器)先進(jìn)行加載。

雙親類加載器在加載時(shí)同樣委托給自己的雙親，如此反復(fù)，直到某個(gè)類加載器沒有雙親為止(通常情況下指雙親為null，也即為當(dāng)前的雙親為擴(kuò)展類加載器，其parent為啟動(dòng)類加載器)，然后開始在依次在各自的類路徑下尋找、加載class類。

如下圖所示：

雙親委派

雙親委托加載實(shí)例實(shí)例

采用JDK版本

java version "1.8.0_261" Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_261-b12) Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.261-b12， mixed mode) 

本實(shí)例涉及到兩個(gè)類：TestMain.java 和 A.java，期中TestMain為啟動(dòng)類，在啟動(dòng)類中調(diào)用類A中的方法執(zhí)行進(jìn)行輸出，分別輸出啟動(dòng)類和被依賴類的類加載器信息，類定義如下所示：

A_java

TestMain

我們將兩個(gè)java文件拷貝到某個(gè)目錄下，在我本地比如放在E:\java_app目錄下，windows下打開命令行窗口，切換到E:\java_app，對(duì)當(dāng)前java文件進(jìn)行編譯，執(zhí)行命令javac TestMain.java。

此時(shí)會(huì)在當(dāng)前目錄下生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的class文件(這里只需要對(duì)TestMain執(zhí)行編譯命令，因?yàn)門estMain依賴了A，所以Jdk編譯器就會(huì)自動(dòng)先去編譯依賴的A)，如圖所示：

編譯命令

接下來我們將觀察java類加載機(jī)制是怎樣實(shí)現(xiàn)雙親委托加載的。

委托給擴(kuò)展類加載器加載

由于擴(kuò)展類在自身類路徑下加載只支持尋找jar包的方式，因此我們通過工具將A.class文件打包進(jìn)A.jar。

然后將A.jar放置到擴(kuò)展類加載路徑：$JAVA_HOME/jre/lib/ext，同時(shí)保留當(dāng)前目錄中的A.class文件。如圖所示：

擴(kuò)展委派

此時(shí)在當(dāng)前目錄：E:\java_app下仍然保留有A.class文件，在擴(kuò)展類加載器路徑下多了一個(gè)包含了A.class的A.jar文件，在當(dāng)前目錄下執(zhí)行java命令執(zhí)行TestMain，命令為：java TestMain，輸出如下所示：

擴(kuò)展委派結(jié)果

由上圖輸出結(jié)果可知，class A雖然在系統(tǒng)類加載器的加載路徑中，但由于類加載的委托機(jī)制，A首先將由系統(tǒng)類加載器委托給其雙親擴(kuò)展類加載器進(jìn)行加載，剛好在擴(kuò)展類加載器的加載路徑中包含了A.class(包含在A.jar中)，所以A最終由擴(kuò)展類加載器進(jìn)行了加載。

委托給啟動(dòng)類加載器進(jìn)行加載

通常情況下，普通類的加載不應(yīng)該委托給啟動(dòng)類加載器進(jìn)行加載，因?yàn)榍懊嬲f過啟動(dòng)類加載器由C++實(shí)現(xiàn)，在java虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)生成的，在java環(huán)境中獲取她的信息均為null。

本實(shí)例為了探究類加載的雙親委托機(jī)制，所以特意將構(gòu)造一個(gè)將普通類委托給其加載的場(chǎng)景。

前面在講到啟動(dòng)類加載器加載路徑時(shí)指出了啟動(dòng)類加載器的加載路徑由只讀系統(tǒng)屬性”sun.boot.class.path“ 指定，且僅支持加載該目錄下固定的jar文件。

在jdk8中還有”$JAVA_HOME/jre/classes“目錄也是啟動(dòng)類加載器加載的路徑(該路徑默認(rèn)可能不存在，可以手工創(chuàng)建一個(gè))，在該目錄下只能放class文件，jar包形式文件不生效。

因此，本實(shí)例程序?qū)?dāng)前目錄下的A.class文件拷貝到啟動(dòng)類加載器的類路徑：”$JAVA_HOME/jre/classes“中，同時(shí)保留當(dāng)前目錄中的A.class文件，也保留擴(kuò)展類加載器類路徑中的A.jar。

類存放路徑如圖所示：

委派啟動(dòng)

在當(dāng)前目錄：E:\java_app目錄下執(zhí)行命令運(yùn)行TestMain，命令為：java TestMain，輸出如下所示：

委派啟動(dòng)結(jié)果

由上圖輸出結(jié)果可知，class A雖然在系統(tǒng)類加載器的加載路徑中，也存在擴(kuò)展類加載器的加載路徑中，但由于類加載的委托機(jī)制，A首先將由系統(tǒng)類加載器委托給其雙親擴(kuò)展類加載器進(jìn)行加載。

擴(kuò)展類加載器又會(huì)繼續(xù)進(jìn)行委托加載(實(shí)際上因?yàn)閿U(kuò)展類加載器的parent：?jiǎn)?dòng)類加載器為null，所以此時(shí)的委托動(dòng)作實(shí)際上就是去啟動(dòng)類加載器的加載路徑中尋找class A)，最終由啟動(dòng)類加載進(jìn)行了A的加載。

雙親委托加載方向

類加載器在加載類時(shí)，只能向上遞歸委托其雙親進(jìn)行類加載，而不可能從雙親再反向委派當(dāng)前類加載器來進(jìn)行類加載。

在中國(guó)象棋中，卒子過河之后的行走軌跡永遠(yuǎn)只能是前進(jìn)或者左右平移，可以很形象的比作雙親委托類加載的這種方向性。

• 卒子過河比喻當(dāng)前類加載器委派其雙親加載了某個(gè)類。這個(gè)類的后續(xù)依賴的加載已經(jīng)和當(dāng)前類加載器沒有關(guān)系。
• 過河之后的卒子只能前進(jìn)，表示雙親在加載類的依賴類時(shí)，只能繼續(xù)遞歸進(jìn)行雙親委派。
• 左右平移表示雙親在遞歸雙親委派加載失敗后，在雙親類加載器自己的加載路徑中進(jìn)行加載。

為了表明委派具有方向性，我們繼續(xù)拿上面的TestMain.class和A.class兩個(gè)類做實(shí)驗(yàn)。

上述委托實(shí)例中我們的場(chǎng)景時(shí)是：TestMain中依賴了A，我們將A通過雙親委托方式進(jìn)行了加載，本次實(shí)驗(yàn)中，我們將TestMain委托給雙親加載。

參照上述的操作步驟，將TestMain.class打進(jìn)TestMain.jar中，放到擴(kuò)展類加載器的加載路徑中，同時(shí)也保留TestMain.class到當(dāng)前目錄，如下圖所示：

委派加載順序1

切換到當(dāng)前應(yīng)用目錄，執(zhí)行java命令運(yùn)行程序：java TestMain，執(zhí)行結(jié)果如下所示：

委派順序執(zhí)行結(jié)果

如上圖所示，出現(xiàn)錯(cuò)誤了，TestMain被擴(kuò)展類加載器加載了，依賴的A卻沒有能被加載到。

原因就是上述說的委派加載具有方向性導(dǎo)致的：

1、運(yùn)行java命令執(zhí)行TestMain程序時(shí)，系統(tǒng)類加載器準(zhǔn)備加載TestMain，根據(jù)雙親委派機(jī)制，先委派給其雙親進(jìn)行加載，最后，雙親擴(kuò)展類加載器在其加載路徑中的TestMain.jar中找到了TestMain.class，完成了TestMain的加載。

2、TestMain中依賴了A，此時(shí)，會(huì)根據(jù)加載了TestMain的類加載器：擴(kuò)展類加載器去加載A，加載方式根據(jù)委托機(jī)制遞歸委托給雙親加載，擴(kuò)展類加載器的雙親為啟動(dòng)類加載器，在啟動(dòng)類加載器的加載路徑中不存在A，加載失敗，此時(shí)由擴(kuò)展類加載器在自己的加載路徑中加載A，也因?yàn)榧虞d路徑中沒有A.class存在，A.class存在于系統(tǒng)類加載器的加載路徑中，但是擴(kuò)展類加載器不會(huì)再返回去委托系統(tǒng)類加載器進(jìn)行加載，所以直接拋出加載失敗異常，出現(xiàn)了上述的錯(cuò)誤。

總結(jié)這次大致介紹了java的類加載在整個(gè)JVM中的作用，詳細(xì)介紹了JVM中的啟動(dòng)類加載器、擴(kuò)展類加載器和系統(tǒng)類加載器三者之間的關(guān)系，并結(jié)合實(shí)例著重介紹了類加載的雙親委派加載原理，理解java的雙親委派加載原理之后，就能在后續(xù)的程序開發(fā)設(shè)計(jì)中在程序的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)這塊掌握更多高級(jí)技能，開發(fā)出更加優(yōu)秀的產(chǎn)品。