1、类加载过程

多个java文件经过编译打包生成可运行jar包，最终由java命令运行某个主类的main函数启
动程序，这里首先需要通过类加载器把主类加载到JVM。
主类在运行过程中如果使用到其它类，会逐步加载这些类。
注意，jar包里的类不是一次性全部加载的，是使用到时才加载。
类加载到使用整个过程有如下几步：
加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载
加载：在硬盘上查找并通过IO读入字节码文件，使用到类时才会加载，例如调用
类的main()方法，new对象等等
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，下节课会讲到动态链接
初始化：对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块

2、类加载器和双亲委派机制

上面的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启动类加载器：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：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：负责加载用户自定义路径下的类包
看一个类加载器示例：
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``.``getSystemClassLoader``().``getClass``().``getName``());
}
}
运行结果：
null ``//``启动类加载器是``C++语言实现，所以打印不出来
sun``.``misc``.``Launcher$ExtClassLoader
sun``.``misc``.``Launcher$AppClassLoader
sun``.``misc``.``Launcher$AppClassLoader

自定义一个类加载器示例：

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，一个是
loadClass(String, boolean)，实现了双亲委派机制，大体逻辑
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。还有一个方法是findClass，默认实现是抛出异常，所以我们自定义类加载器主要是重写
findClass方法。
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``);
//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 ``defineClass``(``name``, ``data``, ``0``, ``data``.``length``);
} ``catch ``(``Exception e``) {
e``.``printStackTrace``();
throw new ``ClassNotFoundException``();
}
}
}
 
public static void ``main``(``String args``[]) ``throws Exception ``{
MyClassLoader classLoader ``= ``new ``MyClassLoader``(``"D:/test"``);
Class clazz ``= ``classLoader``.``loadClass``(``"com.tuling.jvm.User1"``);
Object obj ``= ``clazz``.``newInstance``();
Method method``= ``clazz``.``getDeclaredMethod``(``"sout"``, ``null``);``38
method``.``invoke``(``obj``, ``null``);
System``.``out``.``println``(``clazz``.``getClassLoader``().``getClass``().``getName``());
}
}
 
运行结果：
=======``自己的加载器加载类调用方法``=======
com``.``tuling``.``jvm``.``MyClassLoaderTest$MyClassLoader

双亲委派机制

JVM类加载器是有亲子层级结构的，如下图

这里类加载其实就有一个双亲委派机制，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。
比如我们的Math类，最先会找应用程序类加载器加载，应用程序类加载器会先委托扩展类
加载器加载，扩展类加载器再委托启动类加载器，顶层启动类加载器在自己的类加载路径里
找了半天没找到Math类，则向下退回加载Math类的请求，扩展类加载器收到回复就自己加
载，在自己的类加载路径里找了半天也没找到Math类，又向下退回Math类的加载请求给应
用程序类加载器，应用程序类加载器于是在自己的类加载路径里找Math类，结果找到了就
自己加载了。。
双亲委派机制说简单点就是，先找父亲加载，不行再由儿子自己加载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类不会被加载，这样便可以防止
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时，就没有必要子ClassLoader再加
载一次，保证被加载类的唯一性
看一个类加载示例：
package ``java``.``lang``;
public class ``String ``{
public static void ``main``(``String``[] ``args``) {
System``.``out``.``println``(``"**************My String Class**************"``);
}
}
 
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
再来一个沙箱安全机制示例，尝试打破双亲委派机制，用自定义类加载器加载我们自己实现
的 java.lang.String.class
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``;``18
}
 
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 loaded
Class``<?> ``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 stats
sun``.``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``(``"D:/test"``);
//``尝试用自己改写类加载机制去加载自己写的java.lang.String.class
Class 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``());
}
}
 
运行结果：
java``.``lang``.``SecurityException``: ``Prohibited ``package ``name``: ``java``.``lang
at java``.``lang``.``ClassLoader``.``preDefineClass``(``ClassLoader``.``java``:``659``)
at java``.``lang``.``ClassLoader``.``defineClass``(``ClassLoader``.``java``:``758``)

打破双亲委派

以Tomcat类加载为例，Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行？
我们思考一下：Tomcat是个web容器，那么它要解决什么问题：
1. 一个web容器可能需要部署两个应用程序，不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类
库的不同版本，不能要求同一个类库在同一个服务器只有一份，因此要保证每个应用程序的
类库都是独立的，保证相互隔离。
2. 部署在同一个web容器中相同的类库相同的版本可以共享。否则，如果服务器有10个应
用程序，那么要有10份相同的类库加载进虚拟机。
3. web容器也有自己依赖的类库，不能与应用程序的类库混淆。基于安全考虑，应该让容
器的类库和程序的类库隔离开来。
4. web容器要支持jsp的修改，我们知道，jsp 文件最终也是要编译成class文件才能在虚拟
机中运行，但程序运行后修改jsp已经是司空见惯的事情， web容器需要支持 jsp 修改后不
用重启。
再看看我们的问题：Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行？
答案是不行的。为什么？第一个问题，如果使用默认的类加载器机制，那么是无法加载两个相同类库的不同版本的，
默认的类加器是不管你是什么版本的，只在乎你的全限定类名，并且只有一份。第二个问
题，默认的类加载器是能够实现的，因为他的职责就是保证唯一性。
第三个问题和第一个问题一样。
我们再看第四个问题，我们想我们要怎么实现jsp文件的热加载，jsp 文件其实也就是class
文件，那么如果修改了，但类名还是一样，类加载器会直接取方法区中已经存在的，修改后
的jsp是不会重新加载的。那么怎么办呢？我们可以直接卸载掉这jsp文件的类加载器，所以
你应该想到了，每个jsp文件对应一个唯一的类加载器，当一个jsp文件修改了，就直接卸载
这个jsp类加载器。重新创建类加载器，重新加载jsp文件。

Tomcat自定义加载器详解

tomcat的几个主要类加载器：
commonLoader：Tomcat最基本的类加载器，加载路径中的class可以被
Tomcat容器本身以及各个Webapp访问；
catalinaLoader：Tomcat容器私有的类加载器，加载路径中的class对于
Webapp不可见；
sharedLoader：各个Webapp共享的类加载器，加载路径中的class对于所有
Webapp可见，但是对于Tomcat容器不可见；
WebappClassLoader：各个Webapp私有的类加载器，加载路径中的class只对
当前Webapp可见；从图中的委派关系中可以看出：
CommonClassLoader能加载的类都可以被CatalinaClassLoader和SharedClassLoader使
用，从而实现了公有类库的共用，而CatalinaClassLoader和SharedClassLoader自己能加
载的类则与对方相互隔离。
WebAppClassLoader可以使用SharedClassLoader加载到的类，但各个
WebAppClassLoader实例之间相互隔离。
而JasperLoader的加载范围仅仅是这个JSP文件所编译出来的那一个.Class文件，它出现的
目的就是为了被丢弃：当Web容器检测到JSP文件被修改时，会替换掉目前的
JasperLoader的实例，并通过再建立一个新的Jsp类加载器来实现JSP文件的热加载功能。
tomcat 这种类加载机制违背了java 推荐的双亲委派模型了吗？答案是：违背了。
我们前面说过，双亲委派机制要求除了顶层的启动类加载器之外，其余的类加载器都应当由
自己的父类加载器加载。
很显然，tomcat 不是这样实现，tomcat 为了实现隔离性，没有遵守这个约定，每个
webappClassLoader加载自己的目录下的class文件，不会传递给父类加载器，打破了双亲委派机制。

Java 架构师学习笔记