JVM类加载和双亲委派机制

当我们用java命令运行某个类的main函数启动程序时，首先需要通过类加载器把类加载到JVM，本文主要说明类加载机制和其具体实现双亲委派模式。

一、类加载机制

类加载过程：

类加载的过程是将类的字节码加载到内存中的过程，主要包括：加载-->链接-->初始化，其中链接还包括验证、准备、解析3个步骤。

  1. 加载：将class文件加载到内存，在方法区生成运行时常量池、类型信息、字段信息、方法信息、类加载器的引用、对应Class实例的引用，生成的Class实例对象放到堆中；
  2. 验证：验证这个class文件是否合法，包括文件格式的校验，元数据类型的校验等；
  3. 准备：为类变量分配内存空间，但此时只是初始化为默认值而非真实值，但对于final变量此时会初始化为真实值；
  4. 解析：将符号引用（相对引用）转换为直接引用，符号引用是class文件的相对表达方式，直接引用就是在该系统里地址指针，比如hello()方法为符号引用，0x12345678为直接引用；
  5. 初始化：初始化类变量成真实值，初始化静态代码段，实际执行的是类构造器 方法。

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类加载过程是懒加载的策略，只有当该类被使用了才会被初始化，实际就是调用classLoader的 方法执行的过程；会触发类的初始化操作条件为：（1）需要创建新的对象，执行了new操作；（2）调用了类的静态变量或静态方法；（3）通过反射机制来获取某个类的时候；

利用new实例化对象的过程：

Java的对象实例化的过程是调用 方法，在进行new操作的时候会执行实例化操作，实例化的过程主要 是调用构造方法的过程。在进行对象实例化前，已经初始化静态变量和静态代码段，实例化过程会初始化变量和代码块、调用构造方法进行实例化，利用new操作实例化对象的过程：

二、双亲委派

类加载过程主要是通过类加载器来实现的，Java里有如下几种类加载器：

  • 引导类加载器Bootstrap ClassLoader：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的核心类库，比如rt.jar、charsets.jar等；
  • 扩展类加载器Extension ClassLoader：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR类包；
  • 应用程序类加载器Application ClassLoader：负责加载ClassPath路径下的类包，主要就是加载你自己写的那些类；
  • 自定义加载器Customer ClassLoader：负责加载用户自定义路径下的类包；
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以下代码打印出各个类关联的ClassLoader情况：

public class TestJDKClassLoader {public static void main(String[] args) {System.out.println(String.class.getClassLoader());System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());System.out.println();ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();ClassLoader extClassloader = appClassLoader.getParent();ClassLoader bootstrapLoader = extClassloader.getParent();System.out.println("the bootstrapLoader : " + bootstrapLoader);System.out.println("the extClassloader : " + extClassloader);System.out.println("the appClassLoader : " + appClassLoader);System.out.println();System.out.println("bootstrapLoader加载以下文件：");URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();for (int i = 0; i < urls.length; i++) {System.out.println(urls[i]);}System.out.println();System.out.println("extClassloader加载以下文件：");System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));System.out.println();System.out.println("appClassLoader加载以下文件：");System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));}
}

类加载的具体实现是通过双亲委派机制，加载某个类时会先委托父加载器寻找目标类，找不到再委托上层父加载器加载，如果所有父加载器在自己的加载类路径下都找不到目标类，则在自己的类加载路径中查找并载入目标类。

简单理解就是：能父加载器做的事就父加载器做，父加载器做不了的事情才自己来做。

设计双亲委派机制的好处是：

  1. 保障类的唯一性：ClassLoader的双亲委派模型保障一个类在类加载器的唯一性，父类已经加载了该类，子类就不再加载，保障被加载类的唯一性。
  2. 实现沙箱安全机制：自己写的java.lang.String.class类不会被加载，这样便可以防止核心API库被随意篡改。

类加载器实现原理：

先说明类加载器本身初始化的逻辑：

  1. 在sun.misc.Launcher类中创建JVM启动器实例。
  2. 在Launcher构造方法内部，其创建了两个类加载器，分别是sun.misc.Launcher.ExtClassLoader(扩展类加载器)和sun.misc.Launcher.AppClassLoader(应用类加载器)。
  3. JVM默认使用Launcher的getClassLoader()方法返回的类加载器AppClassLoader的实例加载我们的应用程序。
//Launcher的构造方法public Launcher() {Launcher.ExtClassLoader var1;try {// 构造扩展类加载器，在构造的过程中将其父加载器设置为nullvar1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();} catch (IOException var10) {throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);}try {//构造应用类加载器，在构造的过程中将其父加载器设置为ExtClassLoader，//Launcher的loader属性值是AppClassLoader，我们一般都是用这个类加载器来加载我们自己写的应用程序this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);} catch (IOException var9) {throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);}//设置当前线程的类加载器为应用类加载器Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);String var2 = System.getProperty("java.security.manager");//...
}

再说明一下AppClassLoader的loadClass方法，该方法是进行class文件加载的方法，但最终会调用其父类ClassLoader的loadClass方法，该方法的大体逻辑如下：

  1. 首先，检查一下指定名称的类是否已经加载过，如果加载过了，就不需要再加载，直接返回。
  2. 如果此类没有加载过，那么，再判断一下是否有父加载器；如果有父加载器，则由父加载器加载（即调用parent.loadClass(name, false);）.或者是调用bootstrap类加载器来加载。
  3. 如果父加载器及bootstrap类加载器都没有找到指定的类，那么调用当前类加载器的findClass方法来完成类加载。
//ClassLoader的loadClass方法，里面实现了双亲委派机制
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException
{synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// 检查当前类加载器是否已经加载了该类Class<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {long t0 = System.nanoTime();try {if (parent != null) {  //如果当前加载器父加载器不为空则委托父加载器加载该类c = parent.loadClass(name, false);} else {  //如果当前加载器父加载器为空则委托引导类加载器加载该类c = findBootstrapClassOrNull(name);}} catch (ClassNotFoundException e) {// ClassNotFoundException thrown if class not found// from the non-null parent class loader}if (c == null) {// If still not found, then invoke findClass in order// to find the class.long t1 = System.nanoTime();//都会调用URLClassLoader的findClass方法在加载器的类路径里查找并加载该类c = findClass(name);// this is the defining class loader; record the statssun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}}if (resolve) {  //不会执行resolveClass(c);}return c;}
}

用户可以设置自定义类加载器来打破默认的双亲委派模式，主要是实现loadClass()方法，在这个方法中可以自定义加载class文件的逻辑。

public class MyClassLoaderTest {static class MyClassLoader extends ClassLoader {private String classPath;public MyClassLoader(String classPath) {this.classPath = classPath;}private byte[] loadByte(String name) throws Exception {name = name.replaceAll("\\.", "/");FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name+ ".class");int len = fis.available();byte[] data = new byte[len];fis.read(data);fis.close();return data;}protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {try {byte[] data = loadByte(name);return defineClass(name, data, 0, data.length);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();throw new ClassNotFoundException();}}/*** 重写类加载方法，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载* @param name* @param resolve* @return* @throws ClassNotFoundException*/protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException {synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// First, check if the class has already been loadedClass<?> c = findLoadedClass(name);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 statssun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}}}public static void main(String args[]) throws Exception {MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("xxx");//尝试用自己改写类加载机制去加载自己写的java.lang.String.classClass clazz = classLoader.loadClass("java.lang.String");Object obj = clazz.newInstance();Method method= clazz.getDeclaredMethod("sout", null);method.invoke(obj, null);System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());}
}

打破双亲委托的方法：

通过线程上下文类加载器Thread Context ClassLoader#setContextClassLoader(ClassLoader c)可以指定当前线程的类加载器，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，那么这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

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