Java Class Loader

1. ClassLoader
  类加载器（class loader）用来加载 Java 类到 Java 虚拟机中。Java 源程序（.java 文件）在经过 Java 编译器编译之后就被转换成 Java 字节代码（.class 文件）。类加载器负责读取 Java 字节代码，并转换成 java.lang.Class 类的一个实例。

2. ClassLoader Hierarchy
  JVM在加载类时，使用的是双亲委托模式(delegation model)，也就是说除了Bootstrap ClassLoader之外，每个ClassLoader都有一个Parent ClassLoader。ClassLoader是按需进行加载class文件。当ClassLoader试图加载一个类时，首先检查本地缓冲，查看类是否已被加载，如果类没有被加载，尝试委托给父ClassLoader进行加载，如果父ClassLoader加载失败，才会由该ClassLoader进行加载，从而避免了重复加载的问题。一下为类装载器层次图：



  Bootstrap ClassLoader：负责加载java_home/lib目录下的核心类或- Xbootclasspath指定目录下的类。
  Extension ClassLoader：负责加载java_home/lib/ext目录下的扩展类或 -Djava.ext.dirs 指定目录下的类。
  System ClassLoader：负责加载-classpath/-Djava.class.path所指的目录下的类。
  如果类App1在本地缓冲中没有class文件(没有被加载)，那么它会自底向上依次查找是否已经加载了类，如果已经加载，则直接返回该类实例的引用。如果BootstrapClassLoader也未成功加载该类，那么会抛出异常，然后自顶向下依次尝试加载，如果到App1 ClassLoader还没有加载成功，那么会抛出ClassNotFoundException异常给调用者。

public static void main(String[] args) {
		ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();
		while(cl != null){
			System.out.println(cl);
			System.out.println("parent class loader: " + cl.getParent());
			cl = cl.getParent();
		}
	}

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f
parent class loader: sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@addbf1
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@addbf1
parent class loader: null

  我们看到，当前系统类装载器为AppClassLoader,AppClassLoader的父类装载器是ExtClassLoader，ExtClassLoader的父装载器为null，表示为BootstrapClassLoader。BootstrapClassLoader由JVM采用本地代码实现，因此没有对应的Java类，所以ExtClassLoader的getParent()返回null。
  ClassLoader的职责之一是保护系统名字空间。以下为ClassLoader类部分代码：

private ProtectionDomain preDefineClass(String name,
					    ProtectionDomain protectionDomain)
    {
	if (!checkName(name))
	    throw new NoClassDefFoundError("IllegalName: " + name);

	if ((name != null) && name.startsWith("java.")) {
	    throw new SecurityException("Prohibited package name: " +
					name.substring(0, name.lastIndexOf('.')));
	}
	if (protectionDomain == null) {
	    protectionDomain = getDefaultDomain();
	}

	if (name != null)
	    checkCerts(name, protectionDomain.getCodeSource());

	return protectionDomain;
    }

  那么，当我们定义如下类Foo，虽然能够通过编译，但是会报java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang异常，因为我们试图将Foo类写入到java.lang包下。

package java.lang;

public class Foo {
    
    public static void main(String args[]) throws Exception {
        Foo f = new Foo();
        System.out.println(f.toString());
    }
}

3. 定制ClassLoader
  Java自带的ClassLoader类的定义为：

public abstract class ClassLoader{ 
}

启动类加载器是JVM通过调用ClassLoader.loadClass()方法。

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
	return loadClass(name, false);
    }

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
	throws ClassNotFoundException
    {
	// First, check if the class has already been loaded
	Class c = findLoadedClass(name);
	if (c == null) {
	    try {
		if (parent != null) {
		    c = parent.loadClass(name, false);
		} else {
		    c = findBootstrapClass0(name);
		}
	    } catch (ClassNotFoundException e) {
	        // If still not found, then invoke findClass in order
	        // to find the class.
	        c = findClass(name);
	    }
	}
	if (resolve) {
	    resolveClass(c);
	}
	return c;
    }

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
	throw new ClassNotFoundException(name);
    }

loadClass(String name, boolean resolve)方法中的resolve如果为true,表示分析这个Class对象，包括检查Class Loader是否已经初始化等。loadClass(String name) 在加载类之后不会对该类进行初始化，直到第一次使用该类时，才会对该类进行初始化。
那么，我们在定制ClassLoader的时候，通常只需要覆写findClass(String name)方法。在findClass(String name)方法内，我们可以通过文件、网络(URL)等形式获取字节码。以下为获取字节码的方法:

public InputStream getResourceAsStream(String name);
public URL getResource(String name);
public InputStream getResourceAsStream(String name);
public Enumeration<URL> getResources(String name) throws IOException;

在取得字节码后，需要调用defineClass()方法将字节数组转换成Class对象，该方法签名如下：

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,
					 ProtectionDomain protectionDomain)
	throws ClassFormatError

对于相同的类，JVM最多会载入一次。如果同一个class文件被不同的ClassLoader载入（定义），那么载入后的两个类是完全不同的。

public class Foo{
    //
    private static final AtomicInteger COUNTER = new AtomicInteger(0);

    public Foo() {
        System.out.println("counter: " + COUNTER.incrementAndGet());
    }
    
    public static void main(String args[]) throws Exception {
        URL urls[] = new URL[]{new URL("file:/c:/")};
        URLClassLoader ucl1 = new URLClassLoader(urls);
        URLClassLoader ucl2 = new URLClassLoader(urls);
        Class<?> c1 = ucl1.loadClass("Foo");
        Class<?> c2 = ucl2.loadClass("Foo");
        System.out.println(c1 == c2);
        c1.newInstance();
        c2.newInstance();
    }
}

以上程序需要保证Foo.class文件不在classpath路径下。从而使AppClassLoader无法加载Foo.class。
输出结果：

false
counter: 1
counter: 1

4. Web应用的ClassLoader
  绝大多数的EJB容器，Servlet容器等都会提供定制的ClassLoader，来实现特定的功能。但是通常情况下，所有的servlet和filter使用一个ClassLoader。每个jsp都使用一个独立的ClassLoader。

5. 隐式(implicit)和显示(explicit)的加载
  隐式加载：我们使用new关键字实例化一个类，就是隐身的加载了类。
  显示加载分为两种：
     java.lang.Class的forName()方法；
     java.lang.ClassLoader的loadClass()方法。
  Class.forName()方法有两个重载的版本：

 public static Class<?> forName(String className) 
                throws ClassNotFoundException {
        return forName0(className, true, ClassLoader.getCallerClassLoader());
    }

public static Class<?> forName(String name, boolean initialize,
				   ClassLoader loader)
        throws ClassNotFoundException

可以看出，forName(String className)默认以true和ClassLoader.getCallerClassLoader()调用了三参数的重载方法。ClassLoader.getCallerClassLoader()表示以caller class loader加载类，并会初始化类(即静态变量会被初始化，静态初始化块中的代码也会被执行)。如果以false和ClassLoader.getCallerClassLoader()调用三参数的重载方法，表示加载后的类不会被初始化。
ClassLoader.loadClass()方法在类加载后，也同样不会初始化类。

6. 两个异常(exception)
  NoClassDefFoundError: 当java源文件已编译成.class文件,但是ClassLoader在运行期间搜寻路径load某个类时,没有找到.class文件则抛出这个异常。
  ClassNotFoundException: 试图通过一个String变量来创建一个Class类时不成功则抛出这个异常