1、 ClassLoader 是做什么的
顾名思义，它是用来加载Class的。它负责将Class 的字节码形式转换成内存形式的Class对象。字节码可以来自于磁盘文件 *.class，也可以是 jar 包里的 *.class，也可以来自远程服务器提供的字节流，字节码的本质就是一个字节数组 []byte，它有特定的复杂的内部格式。
有很多字节码加密技术就是依靠定制 ClassLoader 来实现的。先使用工具对字节码文件进行加密，运行时使用定制的 ClassLoader 先解密文件内容再加载这些解密后的字节码。
每个 Class 对象的内部都有一个 classLoader 字段来标识自己是由哪个 ClassLoader 加载的。ClassLoader 就像一个容器，里面装了很多已经加载的 Class 对象。
class Class {
...
private final ClassLoader classLoader;
...
}
在虚拟机的角度上，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)，这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；另外一种就是其它所有的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自java.lang.ClassLoader。
从Java开发人员的角度看，类加载器还可以划分得更细一些，如下：
1、启动类加载器 (Bootstrap ClassLoader)：这个类加载器负责将放置在-Xbootclasspath参数所指定路径中的，并且是虚拟机能识别的(仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放置在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接使用。
2、扩展类加载器(Extension ClassLoader)：这个类加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
3、应用程序类加载器(Application ClassLoader)：这个类加载器由sum.misc.Launcher.$AppClassLoader来实现。由于这个类加载器是ClassLoader.getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也被称为系统类加载器。它负责加载用户类路径上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。
2、class延迟加载
JVM 运行并不是一次性加载所需要的全部类的，它是按需加载，也就是延迟加载。程序在运行的过程中会逐渐遇到很多不认识的新类，这时候就会调用 ClassLoader 来加载这些类。加载完成后就会将 Class 对象存在 ClassLoader 里面，下次就不需要重新加载了。
比如你在调用某个类的静态方法时，首先这个类肯定是需要被加载的，但是并不会触及这个类的实例字段，那么实例字段可以暂时不必去加载，但是它可能会加载静态字段，因为静态方法会访问静态字段。而实例字段需要等到你实例化对象的时候才可能会加载。
3、ClassLoaders各司其职
JVM 运行实例中会存在多个 ClassLoader，不同的 ClassLoader 会从不同的地方加载字节码文件。它可以从不同的文件目录加载，也可以从不同的 jar 文件中加载，也可以从网络上不同的服务地址来加载。
JVM中内置了三个重要的ClassLoader，分别是BootstrapClassLoader、ExtensionClassLoader和AppClassLoader。
- BootstrapClassLoader 负责加载 JVM 运行时核心类，这些类位于 JAVA_HOME/lib/rt.jar 文件中，我们常用内置库 java.xxx.* 都在里面，比如 java.util.、java.io.、java.nio.、java.lang. 等等。这个 ClassLoader 比较特殊，它是由 C 代码实现的，我们将它称之为「根加载器」。
- ExtensionClassLoader 负责加载 JVM 扩展类，比如 swing 系列、内置的 js 引擎、xml 解析器 等等，这些库名通常以 javax 开头，它们的 jar 包位于 JAVA_HOME/lib/ext/*.jar 中，有很多 jar 包。
- AppClassLoader 才是直接面向我们用户的加载器，它会加载 Classpath 环境变量里定义的路径中的 jar 包和目录。我们自己编写的代码以及使用的第三方 jar 包通常都是由它来加载的。
那些位于网络上静态文件服务器提供的 jar 包和 class文件，jdk 内置了一个 URLClassLoader，用户只需要传递规范的网络路径给构造器，就可以使用 URLClassLoader 来加载远程类库了。
URLClassLoader 不但可以加载远程类库，还可以加载本地路径的类库，取决于构造器中不同的地址形式。ExtensionClassLoader 和 AppClassLoader 都是从本地文件系统里加载类库。
AppClassLoader 可以由 ClassLoader 类提供的静态方法 getSystemClassLoader() 得到，它就是我们所说的「系统类加载器」，我们用户平时编写的类代码通常都是由它加载的。当我们的 main 方法执行的时候，这第一个用户类的加载器就是 AppClassLoader。
4、传递性
程序在运行过程中，遇到了一个未知的类，它会选择由哪个 ClassLoader 来加载它呢？虚拟机的策略是使用调用者 Class 对象的 ClassLoader 来加载当前未知的类。何为调用者 Class 对象？就是在遇到这个未知的类时，虚拟机肯定正在运行一个方法调用（静态方法或者实例方法），这个方法挂在哪个类上面，那这个类就是调用者 Class 对象。前面我们提到每个 Class 对象里面都有一个 classLoader 属性记录了当前的类是由谁来加载的。
因为 ClassLoader 的传递性，所有延迟加载的类都会由初始调用 main 方法的这个 ClassLoader 全权负责，它就是 AppClassLoader。
5、双亲委派机制
前面我们提到 AppClassLoader 只负责加载 Classpath 下面的类库，如果遇到没有加载的系统类库怎么办，AppClassLoader 必须将系统类库的加载工作交给 BootstrapClassLoader 和 ExtensionClassLoader 来做，这就是我们常说的「双亲委派」。
AppClassLoader 在加载一个未知的类名时，它并不是立即去搜寻 Classpath，它会首先将这个类名称交给 ExtensionClassLoader 来加载，如果 ExtensionClassLoader 可以加载，那么 AppClassLoader 就不用麻烦了。否则它就会搜索 Classpath 。
而 ExtensionClassLoader 在加载一个未知的类名时，它也并不是立即搜寻 ext 路径，它会首先将类名称交给 BootstrapClassLoader 来加载，如果 BootstrapClassLoader 可以加载，那么 ExtensionClassLoader 也就不用麻烦了。否则它就会搜索 ext 路径下的 jar 包。
这三个 ClassLoader 之间形成了级联的父子关系，每个 ClassLoader 都很懒，尽量把工作交给父亲做，父亲干不了了自己才会干。每个 ClassLoader 对象内部都会有一个 parent 属性指向它的父加载器。
值得注意的是图中的 ExtensionClassLoader 的 parent 指针画了虚线，这是因为它的parent的值是null，当parent 字段是null 时就表示它的父加载器是「根加载器」。如果某个Class对象的 classLoader 属性值是null，那么就表示这个类也是「根加载器」加载的。
6、 Class.forName方法
当我们在使用 jdbc驱动时，经常会使用 Class.forName 方法来动态加载驱动类。
Class.forName("com.mysql.cj.jdbc.Driver");
其原理是mysql驱动的Driver类里有一个静态代码块，它会在Driver 类被加载的时候执行。这个静态代码块会将mysql驱动实例注册到全局的jdbc驱动管理器里。
class Driver {
static {
try {
java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver());
} catch (SQLException E) {
throw new RuntimeException("Can't register driver!");
}
}
...
}
forName 方法同样也是使用调用者 Class 对象的 ClassLoader 来加载目标类。不过 forName 还提供了多参数版本，可以指定使用哪个ClassLoader 来加载：
Class forName(String name, boolean initialize, ClassLoader cl)
通过这种形式的 forName方法可以突破内置加载器的限制，通过使用自定义类加载器允许我们自由加载其它任意来源的类库。根据ClassLoader的传递性，目标类库传递引用到的其它类库也将会使用自定义加载器加载。
7、自定义类加载器
ClassLoader 里面有三个重要的方法 loadClass()、findClass() 和 defineClass()。
loadClass() 方法是加载目标类的入口，它首先会查找当前 ClassLoader 以及它的双亲里面是否已经加载了目标类，如果没有找到就会让双亲尝试加载，如果双亲都加载不了，就会调用 findClass() 让自定义加载器自己来加载目标类。ClassLoader 的 findClass() 方法是需要子类来覆盖的，不同的加载器将使用不同的逻辑来获取目标类的字节码。拿到这个字节码之后再调用 defineClass() 方法将字节码转换成 Class 对象。下面我使用伪代码表示一下基本过程：
class ClassLoader {
// 加载入口，定义了双亲委派规则
Class loadClass(String name) {
// 是否已经加载了
Class t = this.findFromLoaded(name);
if(t == null) {
// 交给双亲
t = this.parent.loadClass(name)
}
if(t == null) {
// 双亲都不行，只能靠自己了
t = this.findClass(name);
}
return t;
}
// 交给子类自己去实现
Class findClass(String name) {
throw ClassNotFoundException();
}
// 组装Class对象
Class defineClass(byte[] code, String name) {
return buildClassFromCode(code, name);
}
}
class CustomClassLoader extends ClassLoader {
Class findClass(String name) {
// 寻找字节码
byte[] code = findCodeFromSomewhere(name);
// 组装Class对象
return this.defineClass(code, name);
}
}
自定义类加载器不易破坏双亲委派规则，不要轻易覆盖 loadClass 方法。否则可能会导致自定义加载器无法加载内置的核心类库。在使用自定义加载器时，要明确好它的父加载器是谁，将父加载器通过子类的构造器传入。如果父类加载器是 null，那就表示父加载器是「根加载器」。
8、钻石依赖
项目管理上有一个著名的概念叫着「钻石依赖」，是指软件依赖导致同一个软件包的两个版本需要共存而不能冲突。
我们平时使用的 maven 是这样解决钻石依赖的，它会从多个冲突的版本中选择一个来使用，如果不同的版本之间兼容性很糟糕，那么程序将无法正常编译运行。Maven 这种形式叫「扁平化」依赖管理。
使用 ClassLoader 可以解决钻石依赖问题。不同版本的软件包使用不同的 ClassLoader 来加载，位于不同 ClassLoader 中名称一样的类实际上是不同的类。下面让我们使用 URLClassLoader 来尝试一个简单的例子，它默认的父加载器是 AppClassLoader
$ cat ~/source/jcl/v1/Dep.java
public class Dep {
public void print() {
System.out.println("v1");
}
}
$ cat ~/source/jcl/v2/Dep.java
public class Dep {
public void print() {
System.out.println("v1");
}
}
$ cat ~/source/jcl/Test.java
public class Test {
public static void main(String[] args) throws Exception {
String v1dir = "file:///Users/qianwp/source/jcl/v1/";
String v2dir = "file:///Users/qianwp/source/jcl/v2/";
URLClassLoader v1 = new URLClassLoader(new URL[]{new URL(v1dir)});
URLClassLoader v2 = new URLClassLoader(new URL[]{new URL(v2dir)});
Class depv1Class = v1.loadClass("Dep");
Object depv1 = depv1Class.getConstructor().newInstance();
depv1Class.getMethod("print").invoke(depv1);
Class depv2Class = v2.loadClass("Dep");
Object depv2 = depv2Class.getConstructor().newInstance();
depv2Class.getMethod("print").invoke(depv2);
System.out.println(depv1Class.equals(depv2Class));
}
}
在运行之前，我们需要对依赖的类库进行编译
$ cd ~/source/jcl/v1
$ javac Dep.java
$ cd ~/source/jcl/v2
$ javac Dep.java
$ cd ~/source/jcl
$ javac Test.java
$ java Test
v1
v2
false
在这个例子中即使两个 URLClassLoader 指向的路径是一样的，下面这个表达式还是 false，因为即使是同样的字节码用不同的 ClassLoader 加载出来的类都不能算同一个类。
ClassLoader 固然可以解决依赖冲突问题，不过它也限制了不同软件包的操作界面必须使用反射或接口的方式进行动态调用。
Maven 没有这种限制，它依赖于虚拟机的默认懒惰加载策略，运行过程中如果没有显示使用定制的 ClassLoader，那么从头到尾都是在使用 AppClassLoader，而不同版本的同名类必须使用不同的 ClassLoader 加载，所以 Maven 不能完美解决钻石依赖。
如果你想知道有没有开源的包管理工具可以解决钻石依赖的，我推荐你了解一下 sofa-ark，它是蚂蚁金服开源的轻量级类隔离框架。
9、线程上下文加载器
Thread.contextClassLoader
如果你稍微阅读过 Thread 的源代码，你会在它的实例字段中发现有一个字段非常特别：
class Thread {
...
private ClassLoader contextClassLoader;
public ClassLoader getContextClassLoader() {
return contextClassLoader;
}
public void setContextClassLoader(ClassLoader cl) {
this.contextClassLoader = cl;
}
...
}
contextClassLoader「线程上下文类加载器」，这究竟是什么东西？
首先 contextClassLoader 是那种需要显示使用的类加载器，如果你没有显示使用它，也就永远不会在任何地方用到它。你可以使用下面这种方式来显示使用它。
Thread.currentThread().getContextClassLoader().loadClass(name);
这意味着如果你使用 forName(string name) 方法加载目标类，它不会自动使用 contextClassLoader。那些因为代码上的依赖关系而懒惰加载的类也不会自动使用 contextClassLoader来加载。
其次线程的 contextClassLoader 是从父线程那里继承过来的，所谓父线程就是创建了当前线程的线程。程序启动时的 main 线程的 contextClassLoader 就是 AppClassLoader。这意味着如果没有人工去设置，那么所有的线程的 contextClassLoader 都是 AppClassLoader。
那这个 contextClassLoader 究竟是做什么用的？我们要使用前面提到了类加载器分工与合作的原理来解释它的用途。它可以做到跨线程共享类，只要它们共享同一个 contextClassLoader。父子线程之间会自动传递 contextClassLoader，所以共享起来将是自动化的。
如果不同的线程使用不同的 contextClassLoader，那么不同的线程使用的类就可以隔离开来。如果我们对业务进行划分，不同的业务使用不同的线程池，线程池内部共享同一个 contextClassLoader，线程池之间使用不同的 contextClassLoader，就可以很好的起到隔离保护的作用，避免类版本冲突。
如果我们不去定制 contextClassLoader，那么所有的线程将会默认使用 AppClassLoader，所有的类都将会是共享的。线程的 contextClassLoader 使用场合比较罕见，如果上面的逻辑晦涩难懂也不必过于计较。
JDK9 增加了模块功能之后对类加载器的结构设计做了一定程度的修改，不过类加载器的原理还是类似的，作为类的容器，它起到类隔离的作用，同时还需要依靠双亲委派机制来建立不同的类加载器之间的合作关系。
10、 双亲委派机制的缺陷与破坏
双亲委派模型是有缺陷的，双亲委派模型很好地解决了各个类加载器的基础类统一问题(越基础的类由越上层的加载器进行加载)，基础类之所以被称为“基础”，是因为它们总是作为被调用代码调用的API。但是，如果基础类又要调用用户的代码，那该怎么办呢。
这并非是不可能的事情，一个典型的例子便是JNDI服务，它的代码由启动类加载器去加载(在JDK1.3时放进rt.jar)，但JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找，它需要调用独立厂商实现部部署在应用程序的classpath下的JNDI接口提供者(SPI, Service Provider Interface)的代码，但启动类加载器不可能“认识”这些代码，该怎么办？
为了解决这个困境，Java设计团队只好引入了一个不太优雅的设计：线程上下文件类加载器(Thread Context ClassLoader)。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader()方法进行设置，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。有了有线程上下文类加载器，JNDI服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需要的SPI代码，也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载动作，这种行为实际上就是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器，已经违背了双亲委派模型，但这也是无可奈何的事情。Java中所有涉及SPI的加载动作基本上都采用这种方式，例如JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等。
以对数据库管理JDBC为例。java给数据库操作提供了一个Driver接口：
public interface Driver {
Connection connect(String url, java.util.Properties info) throws SQLException;
boolean acceptsURL(String url) throws SQLException;
DriverPropertyInfo[] getPropertyInfo(String url, java.util.Properties info) throws SQLException;
int getMajorVersion();
int getMinorVersion();
boolean jdbcCompliant();
public Logger getParentLogger() throws SQLFeatureNotSupportedException;
}
然后提供了一个DriverManager来管理这些Driver的具体实现：
public class DriverManager {
// List of registered JDBC drivers 这里用来保存所有Driver的具体实现
private final static CopyOnWriteArrayList registeredDrivers = new CopyOnWriteArrayList<>();
public static synchronized void registerDriver(java.sql.Driver driver)
throws SQLException {
registerDriver(driver, null);
}
public static synchronized void registerDriver(java.sql.Driver driver,
DriverAction da)
throws SQLException {
/* Register the driver if it has not already been added to our list */
if(driver != null) {
registeredDrivers.addIfAbsent(new DriverInfo(driver, da));
} else {
// This is for compatibility with the original DriverManager
throw new NullPointerException();
}
println("registerDriver: " + driver);
}
}
这里省略了大部分代码，可以看到我们使用数据库驱动前必须先要在DriverManager中使用registerDriver()注册，然后我们才能正常使用。
SPI的全名为Service Provider Interface，主要是应用于厂商自定义组件或插件中，在java.util.ServiceLoader的文档里有比较详细的介绍。简单的总结下java SPI机制的思想：我们系统里抽象的各个模块，往往有很多不同的实现方案，比如日志模块、xml解析模块、jdbc模块等方案。面向的对象的设计里，我们一般推荐模块之间基于接口编程，模块之间不对实现类进行硬编码。一旦代码里涉及具体的实现类，就违反了可拔插的原则，如果需要替换一种实现，就需要修改代码。为了实现在模块装配的时候能不在程序里动态指明，这就需要一种服务发现机制。 Java SPI就是提供这样的一个机制：为某个接口寻找服务实现的机制。 有点类似IOC的思想，就是将装配的控制权移到程序之外，在模块化设计中这个机制尤其重要。
Java SPI的具体约定为：当服务的提供者提供了服务接口的一种实现之后，在jar包的META-INF/services/目录里同时创建一个以服务接口命名的文件，该文件里就是实现该服务接口的具体实现类。而当外部程序装配这个模块的时候，就能通过该jar包META-INF/services/里的配置文件找到具体的实现类名，并装载实例化，完成模块的注入。基于这样一个约定就能很好的找到服务接口的实现类，而不需要再代码里制定。jdk提供服务实现查找的一个工具类：java.util.ServiceLoader。JDBC SPI mysql的实现如下所示：
Java 提供了很多服务SPI，允许第三方为这些接口提供实现。这些 SPI 的接口由 Java 核心库来提供，而这些 SPI 的实现则是由各供应商来完成。终端只需要将所需的实现作为 Java 应用所依赖的 jar 包包含进类路径（CLASSPATH）就可以了。问题在于SPI接口中的代码经常需要加载具体的实现类：SPI的接口是Java核心库的一部分，是由启动类加载器来加载的；而SPI的实现类是由系统类加载器来加载的。启动类加载器是无法找到SPI的实现类的(因为它只加载Java的核心库)，按照双亲委派模型，启动类加载器无法委派系统类加载器去加载类。也就是说，类加载器的双亲委派模式无法解决这个问题。
线程上下文类加载器正好解决了这个问题。线程上下文类加载器破坏了“双亲委派模型”，可以在执行线程中抛弃双亲委派加载链模式，使程序可以逆向使用类加载器。
不破坏双亲委派模型的情况（不使用JNDI服务）
我们看下mysql的驱动是如何被加载的：
// 1.加载数据访问驱动
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
//2.连接到数据"库"上去
Connection conn= DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/mydb?characterEncoding=GBK", "root", "");
核心就是这句Class.forName()触发了mysql驱动的加载，我们看下mysql对Driver接口的实现：
public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver {
public Driver() throws SQLException {
}
static {
try {
DriverManager.registerDriver(new Driver());
} catch (SQLException var1) {
throw new RuntimeException("Can't register driver!");
}
}
}
可以看到，Class.forName()其实触发了静态代码块，然后向DriverManager中注册了一个mysql的Driver实现。这个时候，我们通过DriverManager去获取connection的时候只要遍历当前所有Driver实现，然后选择一个建立连接就可以了。
破坏双亲委派模型的情况
在JDBC4.0以后，开始支持使用spi的方式来注册这个Driver，具体做法就是在mysql的jar包中的META-INF/services/java.sql.Driver 文件中指明当前使用的Driver是哪个，然后使用的时候就直接这样就可以了：
Connection conn= DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/mydb?characterEncoding=GBK", "root", "");
可以看到这里直接获取连接，省去了上面的Class.forName()注册过程。
现在，我们分析下看使用了这种spi服务的模式原本的过程是怎样的：
第一，从META-INF/services/java.sql.Driver文件中获取具体的实现类名com.mysql.jdbc.Driver
第二，加载这个类，这里肯定只能用class.forName(“com.mysql.jdbc.Driver”)来加载
好了，问题来了，Class.forName()加载用的是调用者的Classloader，这个调用者DriverManager是在rt.jar中的，ClassLoader是启动类加载器，而com.mysql.jdbc.Driver肯定不在
那么，这个问题如何解决呢？按照目前情况来分析，这个mysql的drvier只有应用类加载器能加载，那么我们只要在启动类加载器中有方法获取应用程序类加载器，然后通过它去加载就可以了。这就是所谓的线程上下文加载器。线程上下文类加载器可以通过Thread.setContextClassLoaser()方法设置，如果不特殊设置会从父类继承，一般默认使用的是应用程序类加载器，很明显，线程上下文类加载器让父级类加载器能通过调用子级类加载器来加载类，这打破了双亲委派模型的原则。
现在我们看下DriverManager是如何使用线程上下文类加载器去加载第三方jar包中的Driver类的
public class DriverManager {
static {
loadInitialDrivers();
println("JDBC DriverManager initialized");
}
private static void loadInitialDrivers() {
//省略代码
//这里就是查找各个sql厂商在自己的jar包中通过spi注册的驱动
ServiceLoader loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
Iterator driversIterator = loadedDrivers.iterator();
try{
while(driversIterator.hasNext()) {
driversIterator.next();
}
} catch(Throwable t) {
// Do nothing
}
//省略代码
}
}
使用时，我们直接调用DriverManager.getConn()方法自然会触发静态代码块的执行，开始加载驱动。然后我们看下ServiceLoader.load()的具体实现：
public static ServiceLoader load(Class service) {
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
return ServiceLoader.load(service, cl);
}
public static ServiceLoader load(Class service,
ClassLoader loader){
return new ServiceLoader<>(service, loader);
}
可以看到核心就是拿到线程上下文类加载器，然后构造了一个ServiceLoader,后续的具体查找过程，我们不再深入分析，这里只要知道这个ServiceLoader已经拿到了线程上下文类加载器即可。
接下来，DriverManager的loadInitialDrivers()方法中有一句driversIterator.next();,它的具体实现如下：
private S nextService() {
if (!hasNextService())
throw new NoSuchElementException();
String cn = nextName;
nextName = null;
Class c = null;
try {
//此处的cn就是产商在META-INF/services/java.sql.Driver文件中注册的Driver具体实现类的名称
//此处的loader就是之前构造ServiceLoader时传进去的线程上下文类加载器
c = Class.forName(cn, false, loader);
} catch (ClassNotFoundException x) {
fail(service,
"Provider " + cn + " not found");
}
//省略部分代码
}
现在，我们成功的做到了通过线程上下文类加载器拿到了应用程序类加载器（或者自定义的然后塞到线程上下文中的），同时我们也查找到了厂商在子级的jar包中注册的驱动具体实现类名，这样我们就可以成功的在rt.jar包中的DriverManager中成功的加载了放在第三方应用程序包中的类了。
很明显，mysql驱动采用的这种spi服务确确实实是破坏了双亲委派模型的，毕竟做到了父级类加载器加载了子级路径中的类。