Java程序员的必备知识-类加载机制详解

类加载器的概念

类加载器是一个用来加载类文件的类。

Java源代码通过javac编译器编译成类文件。然后JVM来执行类文件中的字节码来执行程序。类加载器负责加载文件系统、网络或其他来源的类文件。

JVM中类加载器的树状层次结构

Java 中的类加载器大致可以分成两类，一类是系统提供的，另外一类则是由 Java 应用开发人员编写的。

引导类加载器（bootstrap class loader）：

它用来加载 Java 的核心库(jre/lib/rt.jar)，是用原生C++代码来实现的，并不继承自java.lang.ClassLoader。

加载扩展类和应用程序类加载器，并指定他们的父类加载器，在java中获取不到。

扩展类加载器（extensions class loader）：

它用来加载 Java 的扩展库(jre/ext/*.jar)。Java 虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。该类加载器在此目录里面查找并加载 Java 类。

系统类加载器（system class loader）：

它根据 Java 应用的类路径（CLASSPATH）来加载 Java 类。一般来说，Java 应用的类都是由它来完成加载的。可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它。

自定义类加载器（custom class loader）：

除了系统提供的类加载器以外，开发人员可以通过继承 java.lang.ClassLoader类的方式实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求。

Java类加载器基于三个机制：委托、可见性和单一性

委托机制

是指将加载一个类的请求交给父类加载器，如果这个父类加载器不能够找到或者加载这个类，那么再加载它。

可见性的原理

是子类的加载器可以看见所有的父类加载器加载的类，而父类加载器看不到子类加载器加载的类。

单一性原理

是指仅加载一个类一次，这是由委托机制确保子类加载器不会再次加载父类加载器加载过的类。

类加载过程详解

JVM将类加载过程分为三个步骤：

装载（Load），链接（Link）和初始化(Initialize)

1) 装载：

　　查找并加载类的二进制数据；

2)链接：

　　验证：确保被加载类信息符合JVM规范、没有安全方面的问题。

　　准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值。

　　解析：把虚拟机常量池中的符号引用转换为直接引用。

3)初始化：

　　为类的静态变量赋予正确的初始值。

解析部分解释

Java 中，虚拟机会为每个加载的类维护一个常量池【不同于字符串常量池，这个常量池只是该类的字面值（例如类名、方法名）和符号引用的有序集合。 而字符串常量池，是整个JVM共享的】这些符号（如int a = 5;中的a）就是符号引用，而解析过程就是把它转换成指向堆中的对象地址的相对地址。

类的初始化步骤：

1）如果这个类还没有被加载和链接，那先进行加载和链接

2）假如这个类存在直接父类，并且这个类还没有被初始化（注意：在一个类加载器中，类只能初始化一次），那就初始化直接的父类（不适用于接口）

3）如果类中存在static标识的块，那就依次执行这些初始化语句。

类加载器的工作原理

委托机制

当一个类加载和初始化的时候，类仅在有需要加载的时候被加载。假设你有一个应用需要的类叫作Abc.class，首先加载这个类的请求由Application类加载器委托给它的父类加载器Extension类加载器，然后再委托给Bootstrap类加载器。Bootstrap类加载器会先看看rt.jar中有没有这个类，因为并没有这个类，所以这个请求由回到Extension类加载器，它会查看jre/lib/ext目录下有没有这个类，如果这个类被Extension类加载器找到了，那么它将被加载，而Application类加载器不会加载这个类；而如果这个类没有被Extension类加载器找到，那么再由Application类加载器从classpath中寻找。记住classpath定义的是类文件的加载目录，而PATH是定义的是可执行程序如javac，java等的执行路径。

可见性机制

根据可见性机制，子类加载器可以看到父类加载器加载的类，而反之则不行。所以下面的例子中，当Abc.class已经被Application类加载器加载过了，然后如果想要使用Extension类加载器加载这个类，将会抛出java.lang.ClassNotFoundException异常。

单一性机制

根据这个机制，父加载器加载过的类不能被子加载器加载第二次。虽然重写违反委托和单一性机制的类加载器是可能的，但这样做并不可取。你写自己的类加载器的时候应该严格遵守这三条机制。

java.lang.ClassLoader类介绍

java.lang.ClassLoader类的基本职责就是根据一个指定的类的名称，找到或者生成其对应的字节代码，然后从这些字节代码中定义出一个Java 类，即 java.lang.Class类的一个实例。

ClassLoader提供了一系列的方法，比较重要的方法如：

自定义类加载器

public class MyClassLoader extends ClassLoader{

    private String rootPath;

    public MyClassLoader(String rootPath){
        this.rootPath = rootPath;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        //check if the class have been loaded
        Class<?> c = findLoadedClass(name);        
        if(c!=null){
            return c;
        }
        //load the class
        byte[] classData = getClassData(name);
        if(classData==null){
            throw new ClassNotFoundException();
        }
        else{
            c = defineClass(name,classData, 0, classData.length);
            return c;
        }    
    }

    private byte[] getClassData(String className){
        String path = rootPath+"/"+className.replace('.', '/')+".class";

        InputStream is = null;
        ByteArrayOutputStream bos = null;
        try {
            is = new FileInputStream(path);
            bos = new ByteArrayOutputStream();
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int temp = 0;
            while((temp = is.read(buffer))!=-1){
                bos.write(buffer,0,temp);
            }
            return bos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try {
                is.close();
                bos.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }            
        }

        return null;        
    }    

}

测试自定义的类加载器

创建一个测试类HelloWorld

package testOthers;

public class HelloWorld {

}

在D盘根目录创建一个testOthers文件夹，编译HelloWorld.java，将得到的class文件放到testOthers文件夹下。

利用如下代码进行测试

public class testMyClassLoader {
    @Test
    public void test() throws Exception{
        MyClassLoader loader = new MyClassLoader("D:");
        Class<?> c = loader.loadClass("testOthers.HelloWorld");
        System.out.println(c.getClassLoader());
    }
}

说明HelloWorld类是被我们的自定义类加载器MyClassLoader加载的

参考：
http://www.importnew.com/6581.html
http://www.cnblogs.com/sunniest/p/4574080.html