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。
- 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；
- 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；
- 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；
- 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；
- 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。
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；
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：
- 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。
- 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：
- 在sun.misc.Launcher类中创建JVM启动器实例。
- 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)。
- 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null
var1 = 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：
- 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。
- 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。
- 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 stats
sun.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 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("xxx");
//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());
}
}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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