Java类加载机制源码分析
Java代码首先要编译成class文件字节码，在运行时通过JIT（即时编译器）编译成本地机器码，最后由ClassLoader将其加载解析成Class对象到内存中。通过ClassLoader的loadClass方法的源码加深对Java类加载机制的理解。
1. ClassLoader加载机制简述：
Java的类加载遵循父类优先的原则，也就是说ClassLoader是一个有层级的树形组合体系，并且一个ClassLoader要加载一个类，首先逐层向上检查是否有加载器加载过该类，如果有，将结果逐层返回到下级。如果没有，继续检查直到有一层ClassLoader返回没有加载并且它不应该加载，那么该层的下一层就可以加载该类。
PS：父类优先的方式也不是万能的，在JavaEE Web应用程序中，也会使用子女优先加载的方式；
1.1 JVM提供3层基本的类加载平台：
BootstrapClassLoader：加载JVM自身需要的类，注意在Hotspot JVM中它严格来说不是JVM类加载体系中的，它并不遵循上述机制，也不是下面ExtClassLoader的父类加载器；
ExtClassLoader：加载特定的类：System.getProperty("java.ext.dirs")；也就是JRE/LIB/EXT目录下的类，加载的是sun公司的一些扩展包，它是AppClassLoader的父类加载器；
AppClassLoader：加载System.getProperty("java.class.path")；就是classpath，看到这个你可能已经知道eclipse项目下.classpath的作用了，就是告诉AppClassLoader这些类由它加载；
继承自URLClassLoader的自定义类加载器，通过调用getSystemClassLoader获取自己的父加载器（AppClassLoader）；
ClassLoader的类层次结构：
图中的AppClassLoader和ExtClassLoader是Launcher的内部类；
到现在，我们可以也可以看出Java的ClassLoader使用了职责链设计模式，父优先加载，一定程度上保证了程序安全（防止恶意代码替换JSE核心类）。
1.2 JVM加载Class文件到内存的方式：
一是隐式加载：继承或引用某个类时，有JVM负责加载；
二是显式加载：在代码中调用loadClass()，Class.forName，ClassLoader的findClass方法等，显式加载中也可能包含隐式加载；
2. ClassLoader的重要方法：
findClass：主要由URLClassLoader实现，根据URLClassPath去指定地方查找class文件；取得要加载class文件的字节流；
defineCLass：可以将字节流解析成Class对象，该Class对象并未进行resolve；
resolveClass：对Class对象进行Link，载入引用类（超类，接口字段，方法签名，方法中的本地变量）；
loadClass：采用默认的加载逻辑根据类名加载一个类，返回Class对象，调用前面3个方法实现；
3. 加载class文件的过程：
3.1 加载字节码到内存：findClass和defineClass方法
首先来看看URLClassLoader中的findClass方法，因为加载的第一步，找到并获取指定class文件的字节流；
protected Class<?> findClass(final String name)
throws ClassNotFoundException
{
final Class<?> result;
try {
//获取特权，确保有权限可以读取到资源，这里
result = AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction<Class<?>>() {
public Class<?> run() throws ClassNotFoundException {
//将完整的类名转换成文件路径格式
String path = name.replace('.', '/').concat(".class");
//在指定的URLPath中获取对应的class文件资源
Resource res = ucp.getResource(path, false);
if (res != null) {
try {
//获取成功将资源传入，最终获取未解析的Class对象
return defineClass(name, res);
} catch (IOException e) {
//不能成功读取文件内容
throw new ClassNotFoundException(name, e);
}
} else {
//不能获取资源
return null;
}
}
}, acc);
} catch (java.security.PrivilegedActionException pae) {
//因为要在特权操作中抛出ClassNotFoundException，使用了PrivilegedExceptionAction回调
//它会将异常包装，这里要解除包装
throw (ClassNotFoundException) pae.getException();
}
if (result == null) {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
return result;
}
接下来看看findClass中使用的defineClass方法：
private Class<?> defineClass(String name, Resource res) throws IOException {
long t0 = System.nanoTime();
int i = name.lastIndexOf('.');
URL url = res.getCodeSourceURL();
//首先加载包
if (i != -1) {
String pkgname = name.substring(0, i);
// Check if package already loaded.
Manifest man = res.getManifest();
definePackageInternal(pkgname, man, url);
}
// Now read the class bytes and define the class
//使用nio，获取字节缓冲区
java.nio.ByteBuffer bb = res.getByteBuffer();
if (bb != null) {
// Use (direct) ByteBuffer:
CodeSigner[] signers = res.getCodeSigners();
CodeSource cs = new CodeSource(url, signers);
sun.misc.PerfCounter.getReadClassBytesTime().addElapsedTimeFrom(t0);
return defineClass(name, bb, cs);
} else {
//获取不到缓冲区，直接InputStream获取字节数组
byte[] b = res.getBytes();
// must read certificates AFTER reading bytes.
CodeSigner[] signers = res.getCodeSigners();
CodeSource cs = new CodeSource(url, signers);
sun.misc.PerfCounter.getReadClassBytesTime().addElapsedTimeFrom(t0);
return defineClass(name, b, 0, b.length, cs);
}
}
在这个方法中，我们可以看到对于class文件的读取策略，其中CodeSigner和CodeSource分别是代码签名和代码源，它们组合使用与前面提及的保护域机制（ ProtectionDomain）当中，可见Java中类加载机制和安全模型是密不可分的。
3.2 验证和解析：defineClass方法和resovleClass方法：
defineClass首先进行：
（1）字节码验证；
（2）类准备：准备类中每个字段、方法和实现接口所需的数据结构；
protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,
ProtectionDomain protectionDomain)
throws ClassFormatError
{
//首先检查类名；阻止加载“java.”开头包内的类（应有BootStrapLoader加载）；
//确保同一个包内的Class拥有相同的证书
protectionDomain = preDefineClass(name, protectionDomain);
//根据CodeSource获取一个URL的字符串表示
String source = defineClassSourceLocation(protectionDomain);
//字节码验证；类准备（准备字段，方法，实现接口所必需的数据结构）；
Class<?> c = defineClass1(name, b, off, len, protectionDomain, source);
//通过证书为该类设置签名
postDefineClass(c, protectionDomain);
return c;
}
（3）解析：resolveClass方法，直接通过一个native方法实现
进行LINK，装入引用类，如超类，接口，字段，方法中使用的本地变量。
3.3 显式加载时的过程：
调用this.getClass().getClassLoader().loadClass("className");时的过程：
首先看看URLClassLoader中的loadClass方法：
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
//该getClassLoadingLock获取同步锁，该锁用并发Map保存（享元模式）
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// First, check if the class has already been loaded
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
// 这里体现了类加载机制中的父优先的查找机制
// 通过上滤直到parent为null
// 这时再去BootstrapClassLoader中查找，在运行用户程序时，这一步一般都是null
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
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();
//载入字节码到内存
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();
}
}
//解析连接类
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
3.4 初始化Class对象：
类的静态字段，静态初始化器会按顺序赋值/执行；
上面的过程概括一下：（1）加载class文件字节码到内存——>（2）将字节码转换成未Link的Class对象（安全验证/字节码验证/类准备）——>（3）resolveClass方法Link
——>（4）类初始化；
4. 小结
本篇总结了一下Java类加载机制的机制和过程，并从源码角度加以分析。在分析源码的过程也看到了Java中的安全模型的应用，以及并发控制（findClass中的lock并发Map）