JVM 类加载器

回顾一下类加载过程：加载->连接->初始化。
其中连接又分为：验证->准备->解析

加载是类加载过程的第一步，主要完成下面 3 件事情：

1. 通过全类名获取定义此类的二进制字节流
2. 将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构
3. 在内存中生成一个代表该类的 Class 对象，作为方法区这些数据的访问入口

1 类加载器

1.1 类加载器介绍

根据官方 API 文档的介绍：

类加载器是一个负责加载类的对象。ClassLoader 是一个抽象类。给定类的二进制名称，类加载器应尝试定位或生成构成类定义的数据。典型的策略是将名称转换为文件名，然后从文件系统中读取该名称的“类文件”。每个 Java 类都有一个引用指向加载它的 ClassLoader。不过，数组类不是通过 ClassLoader 创建的，而是 JVM 在需要的时候自动创建的，数组类通过getClassLoader()方法获取 ClassLoader 的时候和该数组的元素类型的 ClassLoader 是一致的。

从上面的介绍可以看出:

• 类加载器是一个负责加载类的对象，用于实现类加载过程中的加载这一步
• 每个 Java 类都有一个引用指向加载它的 ClassLoader。
• 数组类不是通过 ClassLoader 创建的（数组类没有对应的二进制字节流），是由 JVM 直接生成的。

class Class<T> {
  ...
  private final ClassLoader classLoader;
  @CallerSensitive
  public ClassLoader getClassLoader() {
     //...
  }
  ...
}

简单来说，类加载器的主要作用就是加载 Java 类的字节码（ .class 文件）到 JVM 中（在内存中生成一个代表该类的 Class 对象）。

1.2 类加载器的加载规则

JVM 启动的时候，并不会一次性加载所有的类，而是根据需要去动态加载。也就是说，大部分类在具体用到的时候才会去加载，这样对内存更加友好。

对于已经加载的类会被放在 ClassLoader 中。在类加载的时候，系统会首先判断当前类是否被加载过。已经被加载的类会直接返回，否则才会尝试加载。也就是说，对于一个类加载器来说，相同二进制名称的类只会被加载一次。

public abstract class ClassLoader {
  ...
  private final ClassLoader parent;
  // 由这个类加载器加载的类。
  private final Vector<Class<?>> classes = new Vector<>();
  // 由VM调用，用此类加载器记录每个已加载类。
  void addClass(Class<?> c) {
        classes.addElement(c);
   }
  ...
}

1.2 类加载器类型总结

JVM 中内置了三个重要的 ClassLoader：

1. BootstrapClassLoader(启动类加载器) ：最顶层的加载类，由 C++实现，通常表示为 null，并且没有父级，主要用来加载 JDK 内部的核心类库（ %JAVA_HOME%/lib目录下的 rt.jar 、resources.jar 、charsets.jar等 jar 包和类））以及被 -Xbootclasspath参数指定的路径下的所有类。
2. ExtensionClassLoader(扩展类加载器) ：主要负责加载 %JRE_HOME%/lib/ext 目录下的 jar 包和类以及被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径下的所有类。
3. AppClassLoader(应用程序类加载器) ：面向我们用户的加载器，负责加载当前应用 classpath 下的所有 jar 包和类。

rt.jar ： rt 代表“RunTime”，rt.jar是Java基础类库，包含Java doc里面看到的所有的类的类文件。也就是说，我们常用内置库 java.xxx.* 都在里面，比如java.util.、java.io.、java.nio.、java.lang.、java.sql.、java.math.。

除了 BootstrapClassLoader 是 JVM 自身的一部分之外，其他所有的类加载器都是在 JVM 外部实现的，并且全都继承自 ClassLoader抽象类。这样做的好处是用户可以自定义类加载器，以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。

每个 ClassLoader 可以通过getParent()获取其父 ClassLoader，如果获取到 ClassLoader 为null的话，那么该类是通过 BootstrapClassLoader 加载的。（ 这是因为BootstrapClassLoader 由 C++ 实现，由于这个 C++ 实现的类加载器在 Java 中是没有与之对应的类的，所以拿到的结果是 null。）

public abstract class ClassLoader {
  ...
  // 父加载器
  private final ClassLoader parent;
  @CallerSensitive
  public final ClassLoader getParent() {
     //...
  }
  ...
}

2 双亲委派模型

2.1 双亲委派模型介绍

类加载器有很多种，当我们想要加载一个类的时候，具体是哪个类加载器加载呢？这就需要提到双亲委派模型了。根据官网介绍：

ClassLoader 类使用委托模型来搜索类和资源。每个 ClassLoader 实例都有一个相关的父类加载器。需要查找类或资源时，ClassLoader 实例会在试图亲自查找类或资源之前，将搜索类或资源的任务委托给其父类加载器。 虚拟机中被称为 "bootstrap class loader"的内置类加载器本身没有父类加载器，但是可以作为 ClassLoader 实例的父类加载器。

可以看出：

• ClassLoader 类使用委托模型来搜索类和资源。
• 双亲委派模型要求除了顶层的bootstrap classloader外，其余的类加载器都应有自己的父类加载器。
• ClassLoader 实例会在试图亲自查找类或资源之前，将搜索类或资源的任务委托给其父类加载器。

类加载器之间的父子关系一般不是以继承的关系来实现的，而是通常使用组合关系来复用父加载器的代码。

public abstract class ClassLoader {
  ...
  // 组合
  private final ClassLoader parent;
  protected ClassLoader(ClassLoader parent) {
       this(checkCreateClassLoader(), parent);
  }
  ...
}

组合优于继承，多用组合少用继承。

2.2 双亲委派模型的执行流程

双亲委派模型的实现代码非常简单，逻辑非常清晰，都集中在 java.lang.ClassLoader 的 loadClass() 中，相关代码如下所示。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        //首先，检查该类是否已经加载过
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            //如果 c 为 null，则说明该类没有被加载过
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    //当父类的加载器不为空，则通过父类的loadClass来加载该类
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    //当父类的加载器为空，则调用启动类加载器来加载该类
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                //非空父类的类加载器无法找到相应的类，则抛出异常
            }

            if (c == null) {
                //当父类加载器无法加载时，则调用findClass方法来加载该类
                //用户可通过覆写该方法，来自定义类加载器
                long t1 = System.nanoTime();
                c = findClass(name);

                //用于统计类加载器相关的信息
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            //对类进行link操作
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

执行流程如下：

1. 先去检查该类是否已经被加载过，已经加载的类会被直接返回，否则进行步骤2
2. 将加载的任务交给父类加载器，如果父类加载器为null，则交给bootstrap classloader， 这样的话，所有的请求最终都会传送到顶层的启动类加载器 BootstrapClassLoader 中。
3. 只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载（调用自己的 findClass() 方法来加载类）。

JVM 判定两个 Java 类是否相同的具体规则 ：JVM 不仅要看类的全名是否相同，还要看加载此类的类加载器是否一样。只有两者都相同的情况，才认为两个类是相同的。即使两个类来源于同一个 Class 文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相同。

2.3 双亲委派模型的好处

1. 避免重复加载：由于类加载器会在其加载的类中缓存已经加载的类，所以使用双亲委派模型可以避免重复加载同一个类，从而节省内存空间。
2. 防止类库被篡改：由于父类加载器可以优先加载类库，因此双亲委派模型可以避免用户篡改Java核心类库等安全问题。
3. 保证类的一致性：如果父类加载器已经加载了一个类，子类加载器再次尝试加载该类时，由于双亲委派模型的存在，子类加载器将不会再次加载该类，而是直接使用父类加载器所加载的类，从而保证类的一致性。
4. 支持类的版本管理：由于Java类库升级时，只需要升级父类加载器中的类库即可，从而避免类库版本不一致的问题。