Java 类加载器体系详解

Java 类加载器(ClassLoader)体系详解

Java 类加载器是 Java 运行时环境的重要组成部分，负责动态加载 Java 类到 JVM 内存中。Java 采用分层的类加载机制，主要有以下几种类加载器：

1. Bootstrap ClassLoader (引导类加载器)

特点：

• 最顶层的类加载器，由 C/C++ 实现，是 JVM 自身的一部分
• 负责加载 Java 核心类库（JAVA_HOME/jre/lib 下的 rt.jar、resources.jar 等）
• 唯一没有父类加载器的加载器
• 在 Java 中表现为 null（所以调用 String.class.getClassLoader() 返回 null）

加载路径：

• sun.boot.class.path 系统属性指定的目录
• 通常包括：
  • %JAVA_HOME%/jre/lib 下的核心 jar 包
  • %JAVA_HOME%/jre/classes 目录（已弃用）

2. Extension ClassLoader (扩展类加载器)

特点：

• 由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现
• 父加载器是 Bootstrap ClassLoader
• 负责加载 Java 的扩展库（JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录下的 jar 包）
• 开发者可以将通用 jar 包放在此目录下（不推荐，已逐渐被模块化系统取代）

加载路径：

• java.ext.dirs 系统属性指定的目录
• 默认是 %JAVA_HOME%/jre/lib/ext 目录

3. Application/System ClassLoader (应用/系统类加载器)

特点：

• 由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现
• 父加载器是 Extension ClassLoader
• 负责加载应用程序类路径(classpath) 下的类
• 开发者最常打交道的类加载器
• 可通过 ClassLoader.getSystemClassLoader() 获取

加载路径：

• java.class.path 系统属性指定的路径
• 包括：
  • 命令行指定的 classpath
  • JAR 文件的类路径
  • IDE 项目中的 src/main/resources 等目录

4. 自定义类加载器

开发者可以继承 java.lang.ClassLoader 类实现自己的类加载器，常用于：

• 实现热部署
• 加载非 classpath 下的类
• 实现类隔离（如 Tomcat 为每个 Web 应用使用独立的类加载器）

典型实现方式：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // 自定义类加载逻辑
        byte[] classData = loadClassData(name);
        return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
    }
}

类加载器层次关系

Bootstrap ClassLoader (null)
       ↑
Extension ClassLoader
       ↑
Application ClassLoader
       ↑
 自定义 ClassLoader

双亲委派模型

Java 类加载采用双亲委派机制（Parent Delegation Model）：

1. 类加载请求首先交给父加载器处理
2. 只有父加载器无法完成加载时，子加载器才会尝试加载
3. 这样可以保证核心类库的安全性（防止用户自定义的类替换 Java 核心类）

加载流程：

1. 检查类是否已加载
2. 未加载则委托父加载器
3. 父加载器无法加载时，自己尝试加载

类加载器在模块化系统(Java 9+)中的变化

Java 9 引入模块化系统后：

• Bootstrap、Extension 和 Application 类加载器仍然存在
• Extension ClassLoader 改名为 Platform ClassLoader
• 新增了模块路径(module path)概念
• 类加载机制更复杂，考虑了模块可见性和访问控制

常见问题排查

1. ClassNotFoundException：

   • 检查类是否在 classpath 中
   • 检查类加载器是否正确

2. NoClassDefFoundError：

   • 类加载成功但依赖的类找不到
   • 常见于运行时缺少依赖

3. LinkageError：

   • 同一个类被不同类加载器加载
   • 常见于容器环境（如 Tomcat）