Java虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节

流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。实现这个动

作的代码被称为“类加载器”（Class Loader）。

类与类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远超类加载阶段。对于

任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每

一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。这句话可以表达得更通俗一些：比较两个类是否“相

等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个

Class文件，被同一个Java虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

这里所指的“相等”，包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()

方法的返回结果，也包括了使用instanceof关键字做对象所属关系判定等各种情况。如果没有注意到类

加载器的影响，在某些情况下可能会产生具有迷惑性的结果。

/**
* 类加载器与instanceof关键字演示
*
* @author zzm
*/
public class ClassLoaderTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
	ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
	@Override
	public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
	try {
		String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1)+".class";
		InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
		if (is == null) {
		return super.loadClass(name);
		}
		byte[] b = new byte[is.available()];
		is.read(b);
		return defineClass(name, b, 0, b.length);
	} catch (IOException e) {
		throw new ClassNotFoundException(name);
		}
	}
};
Object obj = myLoader.loadClass("org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest").newInstance();
System.out.println(obj.getClass());
System.out.println(obj instanceof org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest);
}
}
运行结果：
class org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest
false

两行输出结果中，从第一行可以看到这个对象确实是类org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest实

例化出来的，但在第二行的输出中却发现这个对象与类org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest做所属

类型检查的时候返回了false。这是因为Java虚拟机中同时存在了两个ClassLoaderTest类，一个是由虚拟

机的应用程序类加载器所加载的，另外一个是由我们自定义的类加载器加载的，虽然它们都来自同一

个Class文件，但在Java虚拟机中仍然是两个互相独立的类，做对象所属类型检查时的结果自然为

false。

双亲委派模型

站在Java虚拟机的角度来看，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap

ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现[1]，是虚拟机自身的一部分；另外一种就是其他所有

的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立存在于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类

java.lang.ClassLoader。

站在Java开发人员的角度来看，类加载器就应当划分得更细致一些。自JDK 1.2以来，Java一直保

持着三层类加载器、双亲委派的类加载架构，尽管这套架构在Java模块化系统出现后有了一些调整变

动，但依然未改变其主体结构。

·启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：前面已经介绍过，这个类加载器负责加载存放在

<JAVA_HOME>\lib目录，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的，而且是Java虚拟机能够

识别的（按照文件名识别，如rt.jar、tools.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类

库加载到虚拟机的内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，

如果需要把加载请求委派给引导类加载器去处理，那直接使用null代替即可，代码清单7-9展示的就是

java.lang.ClassLoader.getClassLoader()方法的代码片段，其中的注释和代码实现都明确地说明了以null值

来代表引导类加载器的约定规则。

·扩展类加载器（Extension Class Loader）：这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader

中以Java代码的形式实现的。它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所

指定的路径中所有的类库。根据“扩展类加载器”这个名称，就可以推断出这是一种Java系统类库的扩

展机制，JDK的开发团队允许用户将具有通用性的类库放置在ext目录里以扩展Java SE的功能，在JDK

9之后，这种扩展机制被模块化带来的天然的扩展能力所取代。由于扩展类加载器是由Java代码实现

的，开发者可以直接在程序中使用扩展类加载器来加载Class文件。

·应用程序类加载器（Application Class Loader）：这个类加载器由

sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystem

ClassLoader()方法的返回值，所以有些场合中也称它为“系统类加载器”。它负责加载用户类路径

（ClassPath）上所有的类库，开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。如果应用程序中没有

自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

JDK 9之前的Java应用都是由这三种类加载器互相配合来完成加载的，如果用户认为有必要，还可

以加入自定义的类加载器来进行拓展，典型的如增加除了磁盘位置之外的Class文件来源，或者通过类

加载器实现类的隔离、重载等功能。这些类加载器之间的协作关系“通常”会如图7-2所示。

图7-2中展示的各种类加载器之间的层次关系被称为类加载器的“双亲委派模型（Parents Delegation

Model）”。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应有自己的父类加载

器。不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承（Inheritance）的关系来实现的，而是通常使用

组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。

双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加

载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的

加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请

求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载。

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，一个显而易见的好处就是Java中的类随着它的类

加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一

个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类

在程序的各种类加载器环境中都能够保证是同一个类。反之，如果没有使用双亲委派模型，都由各个

类加载器自行去加载的话，如果用户自己也编写了一个名为java.lang.Object的类，并放在程序的

ClassPath中，那系统中就会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无从保证，应

用程序将会变得一片混乱。

双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作极为重要，但它的实现却异常简单，用以实现双亲委

派的代码只有短短十余行，全部集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中，如代码清单7-10所

示。

	protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws 		ClassNotFoundException
	{
		// 首先，检查请求的类是否已经被加载过了
		Class c = findLoadedClass(name);
		if (c == null) {
		try {
			if (parent != null) {
			c = parent.loadClass(name, false);
			} else {
			c = findBootstrapClassOrNull(name);
		}
		} catch (ClassNotFoundException e) {
		// 如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
		// 说明父类加载器无法完成加载请求
		}
		if (c == null) {
		// 在父类加载器无法加载时
		// 再调用本身的findClass方法来进行类加载
			c = findClass(name);
		}
		}
		if (resolve) {
			resolveClass(c);
		}
		return c;
	}

这段代码的逻辑清晰易懂：先检查请求加载的类型是否已经被加载过，若没有则调用父加载器的

loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。假如父类加载器加载失败，

抛出ClassNotFoundException异常的话，才调用自己的findClass()方法尝试进行加载。

破坏双亲委派模型

双亲委派模型的第一次“被破坏”其实发生在双亲委派模型出现之前——即JDK 1.2面世以前的“远

古”时代。由于双亲委派模型在JDK 1.2之后才被引入，但是类加载器的概念和抽象类

java.lang.ClassLoader则在Java的第一个版本中就已经存在，面对已经存在的用户自定义类加载器的代

码，Java设计者们引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协，为了兼容这些已有代码，无法再以技术

手段避免loadClass()被子类覆盖的可能性，只能在JDK 1.2之后的java.lang.ClassLoader中添加一个新的

protected方法findClass()，并引导用户编写的类加载逻辑时尽可能去重写这个方法，而不是在

loadClass()中编写代码。上节我们已经分析过loadClass()方法，双亲委派的具体逻辑就实现在这里面，

按照loadClass()方法的逻辑，如果父类加载失败，会自动调用自己的findClass()方法来完成加载，这样

既不影响用户按照自己的意愿去加载类，又可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的。

双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷导致的，双亲委派很好地解决了各个类

加载器协作时基础类型的一致性问题（越基础的类由越上层的加载器进行加载），基础类型之所以被

称为“基础”，是因为它们总是作为被用户代码继承、调用的API存在，但程序设计往往没有绝对不变

的完美规则，如果有基础类型又要调用回用户的代码，那该怎么办呢？

这并非是不可能出现的事情，一个典型的例子便是JNDI服务，JNDI现在已经是Java的标准服务，

它的代码由启动类加载器来完成加载（在JDK 1.3时加入到rt.jar的），肯定属于Java中很基础的类型

了。但JNDI存在的目的就是对资源进行查找和集中管理，它需要调用由其他厂商实现并部署在应用程

序的ClassPath下的JNDI服务提供者接口（Service Provider Interface，SPI）的代码，现在问题来了，启

动类加载器是绝不可能认识、加载这些代码的，那该怎么办？

为了解决这个困境，Java的设计团队只好引入了一个不太优雅的设计：线程上下文类加载器

（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContext-ClassLoader()方

法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内

都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。（比如数据库驱动）

有了线程上下文类加载器，程序就可以做一些“舞弊”的事情了。JNDI服务使用这个线程上下文类

加载器去加载所需的SPI服务代码，这是一种父类加载器去请求子类加载器完成类加载的行为，这种行

为实际上是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器，已经违背了双亲委派模型的一般性

原则，但也是无可奈何的事情。Java中涉及SPI的加载基本上都采用这种方式来完成，例如JNDI、

JDBC、JCE、JAXB和JBI等。不过，当SPI的服务提供者多于一个的时候，代码就只能根据具体提供

者的类型来硬编码判断，为了消除这种极不优雅的实现方式，在JDK 6时，JDK提供了

java.util.ServiceLoader类，以META-INF/services中的配置信息，辅以责任链模式，这才算是给SPI的加

载提供了一种相对合理的解决方案。（使用迭代器，把所有的meta-inf加载进来，根据需要的类进行判断处理）

双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的，这里所说的“动态性”指的是一些非常“热”门的名词：代码热替换（Hot Swap）、模块热部署（Hot Deployment）等。说

白了就是希望Java应用程序能像我们的电脑外设那样，接上鼠标、U盘，不用重启机器就能立即使用，

鼠标有问题或要升级就换个鼠标，不用关机也不用重启。对于个人电脑来说，重启一次其实没有什么

大不了的，但对于一些生产系统来说，关机重启一次可能就要被列为生产事故，这种情况下热部署就

对软件开发者，尤其是大型系统或企业级软件开发者具有很大的吸引力。

OSGi实现模块化热部署的关键是它自定义的类加载器机制的实现，每一个程序模块（OSGi中称为

Bundle）都有一个自己的类加载器，当需要更换一个Bundle时，就把Bundle连同类加载器一起换掉以实

现代码的热替换。在OSGi环境下，类加载器不再双亲委派模型推荐的树状结构，而是进一步发展为更

加复杂的网状结构，当收到类加载请求时，OSGi将按照下面的顺序进行类搜索：

1）将以java.*开头的类，委派给父类加载器加载。

2）否则，将委派列表名单内的类，委派给父类加载器加载。

3）否则，将Import列表中的类，委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。

4）否则，查找当前Bundle的ClassPath，使用自己的类加载器加载。

5）否则，查找类是否在自己的Fragment Bundle中，如果在，则委派给Fragment Bundle的类加载器

加载。

6）否则，查找Dynamic Import列表的Bundle，委派给对应Bundle的类加载器加载。

7）否则，类查找失败。

上面的查找顺序中只有开头两点仍然符合双亲委派模型的原则，其余的类查找都是在平级的类加

载器中进行的，关于OSGi的其他内容，笔者就不再展开了。

本节中笔者虽然使用了“被破坏”这个词来形容上述不符合双亲委派模型原则的行为，但这里“被破

坏”并不一定是带有贬义的。只要有明确的目的和充分的理由，突破旧有原则无疑是一种创新。正如

OSGi中的类加载器的设计不符合传统的双亲委派的类加载器架构，且业界对其为了实现热部署而带来

的额外的高复杂度还存在不少争议，但对这方面有了解的技术人员基本还是能达成一个共识，认为

OSGi中对类加载器的运用是值得学习的，完全弄懂了OSGi的实现，就算是掌握了类加载器的精粹。

模块的兼容性

模块化系统将按照以下规则来保证使用传统类路径依赖的Java程序可以不经修改地直接运行在

JDK 9及以后的Java版本上，即使这些版本的JDK已经使用模块来封装了Java SE的标准类库，模块化系

统的这套规则也仍然保证了传统程序可以访问到所有标准类库模块中导出的包。

·JAR文件在类路径的访问规则：所有类路径下的JAR文件及其他资源文件，都被视为自动打包在

一个匿名模块（Unnamed Module）里，这个匿名模块几乎是没有任何隔离的，它可以看到和使用类路

径上所有的包、JDK系统模块中所有的导出包，以及模块路径上所有模块中导出的包。

·模块在模块路径的访问规则：模块路径下的具名模块（Named Module）只能访问到它依赖定义

中列明依赖的模块和包，匿名模块里所有的内容对具名模块来说都是不可见的，即具名模块看不见传

统JAR包的内容。

·JAR文件在模块路径的访问规则：如果把一个传统的、不包含模块定义的JAR文件放置到模块路

径中，它就会变成一个自动模块（Automatic Module）。尽管不包含module-info.class，但自动模块将

默认依赖于整个模块路径中的所有模块，因此可以访问到所有模块导出的包，自动模块也默认导出自

己所有的包。

以上3条规则保证了即使Java应用依然使用传统的类路径，升级到JDK 9对应用来说几乎（类加载

器上的变动还是可能会导致少许可见的影响，将在下节介绍）不会有任何感觉，项目也不需要专门为

了升级JDK版本而去把传统JAR包升级成模块。

模块化编程可参考如下链接：

https://www.bilibili.com/video/BV1z5411o7nb?p=2&vd_source=f5c43fd24ed78a0278ac6dc857887578

模块化下的类加载器

扩展类加载器（Extension Class Loader）被平台类加载器（Platform Class Loader）取代。

这其实是一个很顺理成章的变动，既然整个JDK都基于模块化进行构建（原来的rt.jar和tools.jar被拆分

成数十个JMOD文件），其中的Java类库就已天然地满足了可扩展的需求，那自然无须再保留

<JAVA_HOME>\lib\ext目录，此前使用这个目录或者java.ext.dirs系统变量来扩展JDK功能的机制已经没

有继续存在的价值了，用来加载这部分类库的扩展类加载器也完成了它的历史使命。类似地，在新版

的JDK中也取消了<JAVA_HOME>\jre目录，因为随时可以组合构建出程序运行所需的JRE来，譬如假

设我们只使用java.base模块中的类型，那么随时可以通过以下命令打包出一个“JRE”：

jlink -p $JAVA_HOME/jmods --add-modules java.base --output jre

最后，JDK 9中虽然仍然维持着三层类加载器和双亲委派的架构，但类加载的委派关系也发生了

变动。当平台及应用程序类加载器收到类加载请求，在委派给父加载器加载前，要先判断该类是否能

够归属到某一个系统模块中，如果可以找到这样的归属关系，就要优先委派给负责那个模块的加载器

完成加载，也许这可以算是对双亲委派的第四次破坏。