类加载机制

类加载运行全过程

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主类加载到JVM。

public class MathDemo {
    public static final int initData = 666;
    public static User user = new User();
    public static void main(String[] args) {
        Math math = new Math();
        math.compute();
    }
    public int compute() { // 一个方法对应一块栈帧内存区域
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a + b) * 10;
        return c;
    }
}

通过Java命令执行代码的大体流程如下：

其中loadClass的类加载过程有如下几步：
加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载

• 加载：在磁盘上查找并通过IO读取字节码文件，使用到类时才会加载。例如调用类的main()方法，new 对象等，在加载阶段会在内存中生成一个代表这个类的**java.lang.Class**对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。
• 验证：校验字节码文件的正确性。
• 准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值。
• 解析：将符号引用替换为直接引用，该阶段会把一些静态方法（符号引用，比如main()方法）替换为指向数据所存内存的指针或句柄等（直接引用），这是所谓的静态链接过程（类加载期间完成），动态链接是在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用。
• 初始化：对类的静态变量初始化为指定的值，并执行静态代码块。

如下图所示：

类被加载到方法区中后主要包含：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实例的引用等信息。
类加载器的引用：这个类到类加载器实例的引用。
对应class实例的引用：类加载在加载类信息放到方法区中后，会创建一个对应的Class类型的对象实例放到 堆(Heap)中，作为开发人员访问方法区中类定义的入口和切入点。

注意，主类在运行过程中如果使用到其它类，会逐步加载这些类。jar包或war包中的类不是一次性全部加载的，使用到时才会加载。

public class TestDynamicLoad {
  static {
    System.out.println("******************** load TestDynamicLoad ********************");
  }
  public static void main(String[] args) {
    new A();
    System.out.println("-----------------------------------------");
    B b = null;
  }
  static class A {
    static {
      System.out.println("******************** load A ********************");
    }
    public A() {
      System.out.println("******************** initial A ********************");
    }
  }
  static class B {
    static {
      System.out.println("******************** laod B ********************");
    }
    public B() {
      System.out.println("******************** initial B ********************");
    }
  }
}

输出结果是：

类加载器和双亲委派机制

类加载过程主要是通过类记载器来实现的，Java中有如下几种类加载器

• 引导类加载器：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：负责加载职称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：负责加载ClassPath路径下的类包，主要是我们自己写的那些类。

• 自定义加载器：负责加载用户自定义路径下的类包。

  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加载了：");
    URL[] urLs = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
    for (URL url : urLs) {
      System.out.println(url);
    }
    System.out.println();
    System.out.println("extClassLoader加载了：");
    System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
    System.out.println("appClassLoader加载了：");
    System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
  }
  }

  运行后输出结果为： ``` null sun.misc.Launcher$ExtClassLoader sun.misc.Launcher$AppClassLoader

the bootstrapLoader：null the extClassLoader：sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4b67cf4d the appClassLoader：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

bootstrapLoader加载了： file:/E:/Env/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/resources.jar file:/E:/Env/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/rt.jar file:/E:/Env/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/sunrsasign.jar file:/E:/Env/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/jsse.jar file:/E:/Env/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/jce.jar file:/E:/Env/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/charsets.jar file:/E:/Env/Java/jdk1.8.0_202/jre/lib/jfr.jar file:/E:/Env/Java/jdk1.8.0_202/jre/classes

extClassLoader加载了： E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext;C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext appClassLoader加载了： E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\charsets.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\deploy.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\cldrdata.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\dnsns.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\jaccess.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\jfxrt.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\localedata.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\nashorn.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\sunec.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\ext\zipfs.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\javaws.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\jce.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\jfr.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\jfxswt.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\jsse.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\management-agent.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\plugin.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\resources.jar;E:\Env\Java\jdk1.8.0_202\jre\lib\rt.jar;E:\codes\Gitee Repository\study-codes\java-parent\target\classes;E:\Tools\IntelliJ IDEA 2022.1\lib\idea_rt.jar

<a name="kkgD0"></a>
## 类加载器初始化过程
参见类加载运行全过程图克制，其中会创建JVM启动器实例`sun.misc.Launcher`。`sun.misc.Launcher`初始化使用了单例模式，保证一个JVM虚拟机内只有一个`sun.misc.Launcher`实例。<br />在`Launcher`构造方法内部，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)。<br />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。
```java
public Launcher() {
  ExtClassLoader var1;
  try {
    // 构造扩展类加载器，在构造的过程中将父类加载器赋值null
    var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
  } catch (IOException var10) {
    throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
  }
  try {
    this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
  } catch (IOException var9) {
    throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
  }
  Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
  String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
  // 。。。。。。省略若干代码
}

双亲委派机制

什么是双亲委派机制？

JVM类加载器存在亲子结构，如下图：

这里类加载中存在双亲委派机制，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。
比如之前的Math类，最先委托应用程序加载器(AppClassLoader)加载，应用程序类加载器会委托扩展类加载器(ExtClassLoader)加载，扩展类加载器再委托引导类加载器(BootstrapClassLoader)。顶层的引导类加载器在自己的类加载路径下无法找到Math类，则向下回退加载Math类的请求，扩展类加载器收到回复后自己尝试加载，加载不到Math类，又向下回退Math类加载请求给应用程序类加载器，应用程序类加载器找到Math，进行加载。
简单来说：先找父亲加载，找不到再由儿子自己加载。
翻阅AppClassLoader加载类的双亲委派机制源码，其loadClass()方法最终会调用其父类ClassLoader的loadClass()方法，步骤大致如下：

1. 首先检查指定名称的类是否已经加载过，如果加载过不需要重新加载，直接返回。
2. 如果类没有加载过，首先判断是否存在父加载器，如果有父加载器，则由父加载器加载（即调用parent.loadClass(name, false)或者调用BootstrapClassLoader来加载）。

3. 如果父加载器及引导类加载器(BootstrapClassLoader)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#loadClass方法中实现了双亲委派机制
   protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
   synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
    // 首先，检查当前类加载器是否已经加载了改类
    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向上委托
          c = parent.loadClass(name, false);
        } else {
          c = findBootstrapClassOrNull(name); // 如果当前类加载器父加载器为null，则委托引导类加载器加载
        }
      } 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();
        // 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 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;
   }
   }

   为什么要设计双亲委派机制？

• 沙箱安全机制：自己写的java.lang.String.class类不会被记在，这样可以防止核心API库被随意篡改。
• 避免类的重复加载：当父亲已经加载了该类是，就没有必要在子ClassLoader再加载一次，保证被加载类的唯一性。

看一个类加载的实例，当我们自己在指定的包下创建String类，看看在类加载器运行时会发生什么：

package java.lang;
/**
 * @author zhenzicheng
 * @DESCRIPTION:
 * @DATE: 2022/05/14 7:04 PM
 */
public class String {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("customer String.class");
  }
}

会成功吗？结果报错了！

全盘委托机制

“全盘负责”是指当一个ClassLoader加载一个类时，除非显示的使用另一个ClassLoader，否则该类所依赖以及引用的类也由这个ClassLoader载入。

自定义类加载器

自定义类加载器只需要继承java.lang.ClassLoader类，该类有两个核心方法：

• loadClass(String, boolean)，实现了双亲委派机制。
• findClass，默认实现是空方法，所以我们自定义类加载器主要是重写findClass方法。

接下来使用自定义类加载器实现类加载步骤：

1. 创建HelloWorld.java，内容如下 ```java package vip.zhenzicheng.demo;

/**

• @author zhenzicheng
• @DESCRIPTION: 测试自定义类加载器读取demo
• @DATE: 2022/05/14 9:57 PM */ public class HelloWorld { @Override public String toString() { return “我是使用自定义类加载器读取的类~”; }

}

2. 在此处打开控制台输入命令`javac HelloWorld.java -encoding utf8`，将.java文件编译成字节码
2. 拷贝字节码`HelloWorld.class`文件至`E:/test/vip/zhenzicheng/demo`中。路径可以自拟，但是层级一定要与`HelloWorld`中**package**路径保持一致，前缀无所谓。
![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/22484004/1652539487508-fd280ed6-b32e-4260-a5a7-b2d1e516b9d6.png#clientId=u2964d5b8-4a33-4&crop=0&crop=0&crop=1&crop=1&from=paste&height=127&id=u378de076&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=image.png&originHeight=153&originWidth=871&originalType=binary&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&size=23228&status=done&style=none&taskId=ud5a7d960-0194-49f4-804e-c35209d473b&title=&width=725.5333557128906)
4. **删除**项目中原`HelloWorld.java`和`HelloWorld.class`文件，因为**双亲委派机制**当父加载器能扫描到是就不会让子类扫描！
4. 使用如下代码读取刚刚创建的`HelloWorld.class`：
```java
/**
 * 自定义类加载器
 *
 * @author zhenzicheng
 * @date 2022-05-14 22:57
 */
public class MyClassLoaderTest {
  public static void main(String[] args) throws ReflectiveOperationException {
    // 初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，然后会将自定义类加载器的父加载器设置为应用程序加载器AppClassLoader
    MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("E:/test");
    Class<?> clazz = classLoader.loadClass("vip.zhenzicheng.demo.HelloWorld");
    // 同级目录下创建HelloWorld类
    Object obj = clazz.newInstance();
    Method method = clazz.getMethod("toString");
    Object result = method.invoke(obj);
    System.out.println(result);
    System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
  }
  static class MyClassLoader extends ClassLoader {
    private String classPath;
    public MyClassLoader(String classPath) {
      this.classPath = classPath;
    }
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) {
      try {
        byte[] data = loadByte(name);
        // defineClass将一个字节数组转为Class对象，这个字节数组是class文件读取后最终的字节数组
        return super.defineClass(name, data, 0, data.length);
      } catch (IOException e) {
        throw new RuntimeException(e);
      }
    }
    private byte[] loadByte(String name) throws IOException {
      String fileName = name.replaceAll("\\.", "/");
      FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + fileName + ".class");
      int len = fis.available();
      byte[] data = new byte[len];
      fis.read(data);
      fis.close();
      return data;
    }
  }
}

结果如下，使用了自定义的类加载器成功！