Java类加载原理中为何要设计双亲委派机制

首先，给大家演示两个示例代码，我们自定义一个与Java核心类库中java.lang.String类名相同的代码：

package java.lang;

/**
 * 自定义java.lang.String类
 *
 * @author 编程老司机
 * @date 2023-06-16
 */
public class String {

    static {
        System.out.println("加载自定义的String类");
    }

    public String(){
        System.out.println("初始化自定义的String对象");
    }

    public static void main(String[] args) {
        String s = new String();
    }
}

运行结果：

错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
    public static void main(String[] args)
否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application

从运行结果我们看到，程序运行报错了。错误原因是什么呢？下面我们来分析一下：
看过我前面一篇文章《JVM源码分析：深入剖析JavaMain方法中的LoadMainClass的实现》的读者可能知道，main方法主类是由应用程序类加载器加载的。应用程序类加载默认是实现了双亲委派机制的，所以应用程序类加载器会委托父加载器引导类加载器进行java.lang.String类的加载，引导类加载器是只认识Java核心类库中的java.lang.String类，该类是不存在main方法的。所以程序就报main方法不存在的错误。

接着，我们来看下一个示例代码：

/**
 * 自定义类加载器，演示沙箱安全机制
 *
 * @author 编程老司机
 * @date 2023-06-16
 */
public class CustomClassLoaderDemo {

    /**
     * 自定义类加载器
     */
    static class CustomClassLoader extends ClassLoader {

        private String classDir;

        public CustomClassLoader(String classDir) {
            this.classDir = classDir;
        }

        /**
         * 读取类文件 
         * @param className  类名
         * @return
         * @throws IOException
         */
        private byte[] loadClassFile(String className) throws IOException {
            className = className.replaceAll("\\.", "/");
            String classFilePath = classDir + "/" + className + ".class";
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classFilePath);
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        /**
         * 重写loadClass方法，实现自己的加载逻辑，去掉其中实现双亲委派机制的几行代码：
         *                     if (parent != null) {
         *                         c = parent.loadClass(name, false);
         *                     } else {
         *                         c = findBootstrapClassOrNull(name);
         *                     }
         * @param name  类名
         * @param resolve
         * @return
         * @throws ClassNotFoundException
         */
        @Override
        protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
            synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
                // First, check if the class has already been loaded
                Class<?> c = findLoadedClass(name);
                if (c == null) {
                    long t0 = System.nanoTime();
                    if (c == null) {
                        // If still not found, then invoke findClass in order
                        // to find the class.
                        long t1 = System.nanoTime();
                        c = findClass(name);

                        // this is the defining class loader; record the stats
                        sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                        sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                        sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                    }
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }

        @Override
        protected Class<?> findClass(String className) throws ClassNotFoundException {
            try {
                byte[] data = loadClassFile(className);
                // 将字节数组数据转为Class对象
                return defineClass(className, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
                throw new ClassNotFoundException("类加载失败", e);
            }
        }

        public static void main(String args[]) throws Exception {
            // 初始化自定义类加载器，会调用默认构造函数，
            // 将应用程序类加载器设置为自定义加载器的父加载器
            CustomClassLoader classLoader = new CustomClassLoader("D:\\");
            // 我们已经事先编译了自定义的java.lang.String类，
            // 并将类文件放在D盘根目录下
            Class clazz = classLoader.loadClass("java.lang.String");
            // 尝试创建一个自定义的java.lang.String类对象
            Object obj = clazz.newInstance();
        }
    }
}

上述代码运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.ClassNotFoundException: 类加载失败
            at CustomClassLoaderDemo$CustomClassLoader.findClass(CustomClassLoaderDemo.java:85)
            at CustomClassLoaderDemo$CustomClassLoader.loadClass(CustomClassLoaderDemo.java:63)
            at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
            at CustomClassLoaderDemo$CustomClassLoader.main(CustomClassLoaderDemo.java:95)
        Caused by: java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
            at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:662)
            at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:761)
            at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:642)
            at CustomClassLoaderDemo$CustomClassLoader.findClass(CustomClassLoaderDemo.java:83)
            ... 3 more

从运行结果我们看到，程序运行报错了。错误信息是“ java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang”，意思我们触发不满足安全机制的要求，定义了禁止使用的包名java.lang，进入报错的方法，看该方法的源码，我们得知，凡是以包名java.开头的都是不允许使用的：

private ProtectionDomain preDefineClass(String name,
                                            ProtectionDomain pd)
    {
        if (!checkName(name))
            throw new NoClassDefFoundError("IllegalName: " + name);

        // 禁止使用"java."开头的类名
        if ((name != null) && name.startsWith("java.")) {
            throw new SecurityException
                ("Prohibited package name: " +
                 name.substring(0, name.lastIndexOf('.')));
        }
        if (pd == null) {
            pd = defaultDomain;
        }

        if (name != null) checkCerts(name, pd.getCodeSource());

        return pd;
    }

通过以上两个示例说明，为何Java要设计双亲委派机制：
1. 避免类的重复加载：当父加载器已经加载了指定类时，子加载器就不会再加载一次，保证被加载类的唯一性；
2. 沙箱安全机制：防止Java核心API库被随意篡改。通俗点说，当Java核心类库中的类（比如：java.lang.String）的类名与用户自定义类的类名相同有冲突时，Java不会加载用户自定义的类。