Java 类加载机制

类的生命周期

类的加载过程（loadClass）包含了加载、验证、准备、解析、初始化 这五步：

加载: 在硬盘上查找通过IO读入的字节码文件（使用时才会加载），例如调用方法，创建对象等等，在加载阶段会在内存中生产一个Java.lang.Class对象，作为方法区这个类各种数据的访问入口。

验证：检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：将符号引用替换成直接引用，会将一些静态方法替换为指向数据所存内存的指针或句柄，这是所谓静态链接过程（类加载期间完成），动态链接实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之，执行静态代码块

类加载器

类的加载过程主要是通过类加载器来实现的， java类加载器主要分为四类：

启动类加载器（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，主要是加载你自己写的那些类

自定义加载器（User ClassLoader）：负责加载用户自定义路径下的类包

 

 以一个Demo测试：

import sun.misc.Launcher;
import java.net.URL;

public class ClassLoadTest {

    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        ClassLoader extClassLoader = appClassLoader.getParent();
        ClassLoader bootstrapLoader = extClassLoader.getParent();

        System.out.println("appClassLoader:" + appClassLoader);
        System.out.println("appClassLoader 加载内容：");
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));

        System.out.println("extClassLoader:" + extClassLoader);
        System.out.println("extClassLoader 加载内容：");
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));

        System.out.println("bootstrapLoader:" + bootstrapLoader);
        System.out.println("bootstrapLoader 加载内容：");
        URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL url : urls) {
            System.out.println("Url: " + url);
        }
    }
}

输出结果：

appClassLoader:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2的加载内容：
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\deploy.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\ext\cldrdata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\ext\jaccess.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\ext\jfxrt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\ext\localedata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\ext\nashorn.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\ext\sunec.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\ext\zipfs.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\javaws.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\jfr.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\jfxswt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\management-agent.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\plugin.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\rt.jar;C:\tl_workspace\01_ClassLoad\target\classes;C:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2020.2.1\lib\idea_rt.jar
extClassLoader:sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b6d3586的加载内容：
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
bootstrapLoader:null的加载内容：
Url: file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_221/jre/lib/resources.jar
Url: file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_221/jre/lib/rt.jar
Url: file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_221/jre/lib/sunrsasign.jar
Url: file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_221/jre/lib/jsse.jar
Url: file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_221/jre/lib/jce.jar
Url: file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_221/jre/lib/charsets.jar
Url: file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_221/jre/lib/jfr.jar
Url: file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_221/jre/classes

类加载机制

Java 的类加载机制也就是我们俗称的双亲委派机制。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。核心包含三点：

全盘负责，当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖的和引用的其他Class也将由该类加载器负责载入，除非显示使用另外一个类加载器来载入

父类委托，先让父类加载器试图加载该类，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类

缓存机制，缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区寻找该Class，只有缓存区不存在，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象，存入缓存区。这就是为什么修改了Class后，必须重启JVM，程序的修改才会生效

// AppClassLoader的loadClass方法最终会调用其父类ClassLoader的loadClass方法
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // First, check if the class has already been loaded
        // 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.
                // 如果还没找到，会调用URLClassLoader的findClass方法在加载器的类路径里查找并加载该类
                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;
    }
}

为什么要设计双亲委派机制？

安全机制：可以防止核心API库被随意篡改。

避免类的重复加载：保证类的唯一性，当父亲已经加载了该类时，子类不用再加载一次。

package java.lang;

public class String {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(123123);
    }
}

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

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，一个是loadClass 实现了双亲委派机制，还有一个方法是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。

public class UserClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        return super.loadClass(name, resolve);
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // 实现自己的逻辑
        return super.findClass(name);
    }
}

如何打破双亲委派

其实就是在自定义类加载器中重写loadClass 方法，实现自己的加载逻辑，不使用默认的super.loadClass()

public class UserClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        //实现自己的加载逻辑
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // 实现自己的逻辑
        return super.findClass(name);
    }
}