（二）JVM类加载以及双亲委派
目录
类加载机制
类加载器
双亲委派机制
打破双亲委派模型案例
案例一：tomcat
案例二：SPI
案例三：OSGi
如何替换 JDK 的类
如何动态加载和卸载类
速记秘诀：家宴准姐出（加载，验证，准备，解析，初始化）
类加载机制
加载
将外部的 .class 文件（属于二进制数据，保存在jar或war里面），加载到 Java 的方法区内。
验证
并不是所有的 .class 文件都能加载到虚拟机中，容易受到攻击。不符合规范的将抛出 java.lang.VerifyError 错误。像一些低版本的 JVM，是无法加载一些高版本的类库的，就是在这个阶段完成的。
准备
为一些类变量分配内存并初始化为默认值。此时，实例对象还没有分配内存，所以这些动作是在方法区上进行的。
code-snippet 1：
public class A {
static int a ;
public static void main(String[] args) {
System.out.println(a);
}
}
code-snippet 2：
public class A {
public static void main(String[] args) {
int a ;
System.out.println(a);
}
}
-------------------------------------------------------------
结果：
code-snippet 1 将会输出 0，
code-snippet 2 将无法通过编译。
原因：
类变量有两次赋初始值的过程，一次在准备阶段，赋予初始值（也可以是指定值）；另外一次在初始化阶段，赋予程序员定义的值。
因此，即使程序员没有为类变量赋值也没有关系，它仍然有一个默认的初始值。但局部变量就不一样了，如果没有给它赋初始值，是不能使用的。解析
解析在类加载中是非常非常重要的一环，是将符号引用替换为直接引用的过程。
- 符号引用：是一种定义，可以是任何字面上的含义，而直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量。
- 直接引用：它的对象都存在于内存中，你可以把通讯录里的女友手机号码，类比为符号引用，把面对面和你吃饭的人，类比为直接引用。
解析阶段负责把整个类激活，串成一个可以找到彼此的网，过程不可谓不重要。那这个阶段都做了哪些工作呢？大体可以分为：
- 类或接口的解析
- 类方法解析
- 接口方法解析
- 字段解析
我们来看几个经常发生的异常，就与这个阶段有关。
- java.lang.NoSuchFieldError 根据继承关系从下往上，找不到相关字段时的报错。
- java.lang.IllegalAccessError 字段或者方法，访问权限不具备时的错误。
- java.lang.NoSuchMethodError 找不到相关方法时的错误。
解析过程保证了相互引用的完整性，把继承与组合推进到运行时。
初始化
规则1：static 语句块，只能访问到定义在 static 语句块之前的变量
规则2：JVM 会保证在子类的初始化方法执行之前，父类的初始化方法已经执行完毕。（也意味着父类中定义的 static 语句块要优先于子类的。）
1.下面的代码，会输出什么？
public class A {
static int a = 0 ;
static {
a = 1;
b = 1;
}
static int b = 0;
public static void main(String[] args) {
System.out.println(a);
System.out.println(b);
}
}
结果是 1 0。a 和 b 唯一的区别就是它们的 static 代码块的位置。符合规则1
所以下面的代码是无法通过编译的。
static {
b = b + 1;
}
static int b = 0;
2. 方法和 方法有什么区别？
主要是为了让你弄明白类的初始化和对象的初始化之间的差别。
public class A {
static {
System.out.println("1");
}
public A(){
System.out.println("2");
}
}
public class B extends A {
static{
System.out.println("a");
}
public B(){
System.out.println("b");
}
public static void main(String[] args){
A ab = new B();
ab = new B();
}
}
先公布下答案：
1
a
2
b
2
b
分析一：其中 static 字段和 static 代码块，是属于类的，在类的加载的初始化阶段就已经被执行。类信息会被存放在方法区，在同一个类加载器下，这些信息有一份就够了，所以上面的 static 代码块只会执行一次，它对应的是 方法。
分析二：而对象初始化就不一样了。通常，我们在 new 一个新对象的时候，都会调用它的构造方法，就是 ，用来初始化对象的属性。每次新建对象的时候，都会执行。
结论：所以，上面代码的 static 代码块只会执行一次，对象的构造方法执行两次。再加上继承关系的先后原则，不难分析出正确结果。 
类加载器
类加载器做的就是上面 5 个步骤的事。
如果你在项目代码里，写一个 java.lang 的包，然后改写 String 类的一些行为，编译后，发现并不能生效。JRE 的类当然不能轻易被覆盖，否则会被别有用心的人利用，这就太危险了。那类加载器是如何保证这个过程的安全性呢？其实，它是有着严格的等级制度的。
Bootstrap ClassLoader
这是加载器中的大 Boss，任何类的加载行为，都要经它过问。它的作用是加载核心类库，也就是lib目录下的 rt.jar、resources.jar、charsets.jar 等。当然这些 jar 包的路径是可以指定的，-Xbootclasspath 参数可以完成指定操作。
这个加载器是 C++ 编写的，随着 JVM 启动。
Extention ClassLoader
扩展类加载器，主要用于加载 lib/ext 目录下的 jar 包和 .class 文件。同样的，通过系统变量 java.ext.dirs 可以指定这个目录。
这个加载器是个 Java 类，继承自 URLClassLoader。
App ClassLoader
这是我们写的 Java 类的默认加载器，有时候也叫作 System ClassLoader。一般用来加载 classpath 下的其他所有 jar 包和 .class 文件，我们写的代码，会首先尝试使用这个类加载器进行加载。
Custom ClassLoader
自定义加载器，支持一些个性化的扩展功能。
双亲委派机制
双亲委派机制的意思是除了顶层的启动类加载器以外，其余的类加载器，在加载之前，都会委派给它的父加载器进行加载。这样一层层向上传递，直到祖先们都无法胜任，它才会真正的加载。
打个比方。有一个家族，都是一些听话的孩子。孙子想要买一块棒棒糖，最终都要经过爷爷过问，如果力所能及，爷爷就直接帮孙子买了。
- 问题：类加载的双亲委派机制，双亲在哪里？明明都是单亲？
- 答案：但是由于翻译的问题，这个叫法已经非常普遍了！！！！
我们可以翻阅 JDK 代码的 ClassLoader#loadClass 方法，来看一下具体的加载过程。和我们描述的一样，它首先使用 parent 尝试进行类加载，parent 失败后才轮到自己。同时，我们也注意到，这个方法是可以被覆盖的，也就是双亲委派机制并不一定生效。
模型优点：使 Java 类有了一种优先级的层次划分关系。比如 Object 类，这个毫无疑问应该交给最上层的加载器进行加载，即使是你覆盖了它，最终也是由系统默认的加载器进行加载的。如果没有双亲委派模型，就会出现很多个不同的 Object 类，应用程序会一片混乱。
打破双亲委派模型案例
案例一：tomcat
tomcat 通过 war 包进行应用的发布，它其实是违反了双亲委派机制原则的。简单看一下 tomcat 类加载器的层次结构。
对于一些需要加载的非基础类，会由一个叫作 WebAppClassLoader 的类加载器优先加载。等它加载不到的时候，再交给上层的 ClassLoader 进行加载。这个加载器用来隔绝不同应用的 .class 文件，比如你的两个应用，可能会依赖同一个第三方的不同版本，它们是相互没有影响的。
如何在同一个 JVM 里，运行着不兼容的两个版本，当然是需要自定义加载器才能完成的事。
那么 tomcat 是怎么打破双亲委派机制的呢？可以看图中的 WebAppClassLoader，它加载自己目录下的 .class 文件，并不会传递给父类的加载器。但是，它却可以使用 SharedClassLoader 所加载的类，实现了共享和分离的功能。
但是你自己写一个 ArrayList，放在应用目录里，tomcat 依然不会加载。它只是自定义的加载器顺序不同，但对于顶层来说，还是一样的。
案例二：SPI
Java 中有一个 SPI 机制，全称是 Service Provider Interface，是 Java 提供的一套用来被第三方实现或者扩展的 API，它可以用来启用框架扩展和替换组件。
这个说法可能比较晦涩，但是拿我们常用的数据库驱动加载来说，就比较好理解了。在使用 JDBC 写程序之前，通常会调用下面这行代码，用于加载所需要的驱动类。
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")这只是一种初始化模式，通过 static 代码块显式地声明了驱动对象，然后把这些信息，保存到底层的一个 List 中。这种方式我们不做过多的介绍，因为这明显就是一个接口编程的思路，没什么好奇怪的。
但是你会发现，即使删除了 Class.forName 这一行代码，也能加载到正确的驱动类，什么都不需要做，非常的神奇，它是怎么做到的呢？
我们翻开 MySQL 的驱动代码，发现了一个奇怪的文件。之所以能够发生这样神奇的事情，就是在这里实现的。
路径：
mysql-connector-java-8.0.15.jar!/META-INF/services/java.sql.Driver里面的内容是：
com.mysql.cj.jdbc.Driver通过在 META-INF/services 目录下，创建一个以接口全限定名为命名的文件（内容为实现类的全限定名），即可自动加载这一种实现，这就是 SPI。
SPI 实际上是“基于接口的编程＋策略模式＋配置文件”组合实现的动态加载机制，主要使用 java.util.ServiceLoader 类进行动态装载。
这种方式，同样打破了双亲委派的机制。
DriverManager 类和 ServiceLoader 类都是属于 rt.jar 的。它们的类加载器是 Bootstrap ClassLoader，也就是最上层的那个。而具体的数据库驱动，却属于业务代码，这个启动类加载器是无法加载的。这就比较尴尬了，虽然凡事都要祖先过问，但祖先没有能力去做这件事情，怎么办？我们可以一步步跟踪代码，来看一下这个过程。
//part1:DriverManager::loadInitialDrivers
//jdk1.8 之后，变成了lazy的ensureDriversInitialized
...
ServiceLoader loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
Iterator driversIterator = loadedDrivers.iterator();
...
//part2:ServiceLoader::load
public static ServiceLoader load(Class service) {
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
return ServiceLoader.load(service, cl);
} 通过代码你可以发现 Java 玩了个魔术，它把当前的类加载器，设置成了线程的上下文类加载器。那么，对于一个刚刚启动的应用程序来说，它当前的加载器是谁呢？也就是说，启动 main 方法的那个加载器，到底是哪一个？所以我们继续跟踪代码。找到 Launcher 类，就是 jre 中用于启动入口函数 main 的类。我们在 Launcher 中找到以下代码。
public Launcher() {
Launcher.ExtClassLoader var1;
try {
var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
} catch (IOException var10) {
throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
}
try {
this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
} catch (IOException var9) {
throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
}
Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
...
}到此为止，事情就比较明朗了，当前线程上下文的类加载器，是应用程序类加载器。使用它来加载第三方驱动，是没有什么问题的。
我们之所以花大量的篇幅来介绍这个过程，第一，可以让你更好的看到一个打破规则的案例。第二，这个问题面试时出现的几率也是比较高的，你需要好好理解。
案例三：OSGi
OSGi 曾经非常流行，Eclipse 就使用 OSGi 作为插件系统的基础。OSGi 是服务平台的规范，旨在用于需要长运行时间、动态更新和对运行环境破坏最小的系统。
OSGi 规范定义了很多关于包生命周期，以及基础架构和绑定包的交互方式。这些规则，通过使用特殊 Java 类加载器来强制执行，比较霸道。
比如，在一般 Java 应用程序中，classpath 中的所有类都对所有其他类可见，这是毋庸置疑的。但是，OSGi 类加载器基于 OSGi 规范和每个绑定包的 manifest.mf 文件中指定的选项，来限制这些类的交互，这就让编程风格变得非常的怪异。但我们不难想象，这种与直觉相违背的加载方式，肯定是由专用的类加载器来实现的。
随着 jigsaw 的发展（旨在为 Java SE 平台设计、实现一个标准的模块系统），我个人认为，现在的 OSGi，意义已经不是很大了。OSGi 是一个庞大的话题，你只需要知道，有这么一个复杂的东西，实现了模块化，每个模块可以独立安装、启动、停止、卸载，就可以了。
不过，如果你有机会接触相关方面的工作，也许会不由的发出感叹：原来 Java 的类加载器，可以玩出这么多花样。
如何替换 JDK 的类
让我们回到本课时开始的问题，如何替换 JDK 中的类？比如，我们现在就拿 HashMap为例。
当 Java 的原生 API 不能满足需求时，比如我们要修改 HashMap 类，就必须要使用到 Java 的 endorsed 技术。我们需要将自己的 HashMap 类，打包成一个 jar 包，然后放到 -Djava.endorsed.dirs 指定的目录中。注意类名和包名，应该和 JDK 自带的是一样的。但是，java.lang 包下面的类除外，因为这些都是特殊保护的。
因为我们上面提到的双亲委派机制，是无法直接在应用中替换 JDK 的原生类的。但是，有时候又不得不进行一下增强、替换，比如你想要调试一段代码，或者比 Java 团队早发现了一个 Bug。所以，Java 提供了 endorsed 技术，用于替换这些类。这个目录下的 jar 包，会比 rt.jar 中的文件，优先级更高，可以被最先加载到。
如何动态加载和卸载类
背景：在Java中，每个类都有相应的Class Loader，同样的，每个实例对象也会有相应的类，当满足如下三个条件时，JVM就会卸载这个类：
1) 该类所有实例对象不可达
2) 该类的Class对象不可达
3) 该类的Class Loader不可达
问：那么实例对象和class对象，还有classLoader之间有什么关系呢？
1）在类加载器的内部实现中，用一个Java集合来存放所加载类的引用。而一个Class对象总是会引用它的类加载器，调用Class对象的getClassLoader()方法，就能获得它的类加载器。所以，Class实例和加载它的加载器之间为双向引用关系。
2）一个类的实例总是引用代表这个类的Class对象。在Object类中定义了getClass()方法，这个方法返回代表对象所属类的Class对象的引用。此外，所有的Java类都有一个静态属性class，它引用代表这个类的Class对象。
扩展：什么样的类可以被卸载？
1）Java虚拟机自带的类加载器（前面介绍的三种类加载器）在JVM运行过程中，会始终存在，而这些类加载器则会始终引用它们所加载的类的Class对象，因此这些Class对象始终是可触及的。因此，由Java虚拟机自带的类加载器所加载的类，在虚拟机的生命周期中，始终不会被卸载。
2）那么，我们是不是就完全不能在Java程序运行过程中，动态修改我们使用的类了吗？答案是否定的！根据上面的分析，通过Java虚拟机自带的类加载器加载的类无法卸载，我们可以自定义类加载器来加载Java程序，通过自定义类加载器加载的Java类，是可以被卸载的。
如上图所示，我们有自定义的类加载器MyClassLoader，用来加载类MyClass，则在JVM中，会存在上面三类引用（上图忽略这三种类型对象对其他的对象的引用）。如果我们将左边的三个引用变量，均设置为null，那么此时，已经加载的MyClass将会被卸载。
动态卸载需要借助于JVM的垃圾收集功能才可以做到
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