何為類(lèi)加載
類(lèi)加載指的是JVM將class二進(jìn)制文件讀取到內(nèi)存方法區(qū)，在堆內(nèi)存中生成Class對(duì)象。
類(lèi)加載過(guò)程
類(lèi)加載的過(guò)程包含如下步驟：
- 加載
- 驗(yàn)證
- 準(zhǔn)備
- 解析
- 初始化
加載（Loading）
在這個(gè)階段，類(lèi)加載器（ClassLoader）負(fù)責(zé)查找和導(dǎo)入二進(jìn)制字節(jié)碼到 JVM 內(nèi)存中。它通過(guò)類(lèi)的全限定名（包名+類(lèi)名）找到對(duì)應(yīng)的 .class 文件或其他包含類(lèi)定義的數(shù)據(jù)源（比如 Jar 文件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流等）。
加載完成后，在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè) java.lang.Class 類(lèi)型的對(duì)象，該對(duì)象將作為方法區(qū)內(nèi)的類(lèi)元數(shù)據(jù)的入口，包含了與類(lèi)有關(guān)的各種信息。
驗(yàn)證（Verification）
驗(yàn)證階段是對(duì)加載的字節(jié)碼數(shù)據(jù)進(jìn)行合法性校驗(yàn)，確保符合 JVM 規(guī)范。驗(yàn)證內(nèi)容包括文件格式驗(yàn)證、元數(shù)據(jù)驗(yàn)證、字節(jié)碼驗(yàn)證和符號(hào)引用驗(yàn)證等。
可以使用-Xverify:none或者-noverifyJVM參數(shù)，禁用驗(yàn)證步驟，同時(shí)也會(huì)加快Java應(yīng)用的啟動(dòng)速度。（JDK13及其之后已廢棄此參數(shù)）
準(zhǔn)備（Preparation）
準(zhǔn)備階段主要是為類(lèi)變量（static fields）分配內(nèi)存并設(shè)置初始值。這里的初始值通常是指數(shù)據(jù)類(lèi)型的零值（例如 int 類(lèi)型為 0，對(duì)象引用為 null），而不是程序員在 Java 源代碼中為它們賦予的初始值。對(duì)于 static final 常量，如果其值在編譯期就可以確定，則會(huì)在此階段直接賦值為常量池中的值。
解析（Resolution）
解析階段主要是將常量池中的符號(hào)引用替換為直接引用的過(guò)程。符號(hào)引用包括類(lèi)和接口的全限定名、字段名和方法名等，直接引用則更為具體，可以是內(nèi)存偏移量或句柄等。此階段主要針對(duì)類(lèi)或者接口、字段和方法的符號(hào)引用進(jìn)行解析。
初始化（Initialization）
初始化是類(lèi)加載過(guò)程的最后一步，真正執(zhí)行類(lèi)初始化語(yǔ)句（即類(lèi)構(gòu)造器 <clinit> 方法），為類(lèi)變量賦初始值或者執(zhí)行其他初始化邏輯。初始化只會(huì)執(zhí)行一次，且在類(lèi)首次主動(dòng)使用時(shí)觸發(fā)，例如創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例、調(diào)用類(lèi)的靜態(tài)方法或訪問(wèn)類(lèi)的靜態(tài)字段時(shí)。
Java 類(lèi)加載器
Java 類(lèi)加載器是 Java 虛擬機(jī) (JVM) 中負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)加載 Java 類(lèi)到 JVM 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)中的關(guān)鍵組件。在 Java 中，類(lèi)加載過(guò)程是 JVM 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性的重要手段，它通過(guò)不同的類(lèi)加載器協(xié)作完成對(duì)類(lèi)的查找、加載、鏈接（驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析）和初始化。
Java 類(lèi)加載器可分為以下幾種類(lèi)型：
- Bootstrap ClassLoader 是最頂層的類(lèi)加載器，C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，是 JVM 的一部分，不繼承自
java.lang.ClassLoader類(lèi)。它負(fù)責(zé)加載 Java 核心庫(kù)，即 JDK 的 lib 目錄下的 rt.jar、resources.jar 等核心類(lèi)庫(kù)，或被-Xbootclasspath參數(shù)指定路徑中的class文件。如java.*開(kāi)頭的類(lèi)。無(wú)法使用loader.getParent()方法獲取。 - ExtClassLoader 由 Java 編寫(xiě)，繼承自 ClassLoader 類(lèi)。負(fù)責(zé)加載
$JAVA_HOME/lib/ext目錄中的class，以及被java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定路徑中的class。如javax.*開(kāi)頭的類(lèi)。 - AppClassLoader 負(fù)責(zé)加載用戶類(lèi)路徑(classpath，
java.class.path系統(tǒng)變量)中的類(lèi)。如果沒(méi)有自定義類(lèi)加載器，應(yīng)用程序的類(lèi)默認(rèn)會(huì)被AppClassLoader加載。 - 其他ClassLoader 需要用戶在特定的使用場(chǎng)景顯式使用。例如從URL加載class，或者說(shuō)是熱部署、模塊化框架、加密的類(lèi)資源等。這些classloader需要繼承
ClassLoader類(lèi)。
Java的classLoader具有層級(jí)（父子）關(guān)系，classLoader按照雙親委派模型加載class。雙親委派模型后面說(shuō)明。上面所屬的四種classLoader，前面的classLoader是后面的父classLoader。
Java中所有的Class都有一個(gè)classLoader屬性，用來(lái)標(biāo)明該類(lèi)是由哪個(gè)類(lèi)加載器加載的。在程序中獲取一個(gè)類(lèi)由哪個(gè)類(lèi)加載器加載，可使用如下方式：
SomeKlass.class.getClassLoader();
下面舉一個(gè)例子：
public class ClassLoaderDemo {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(String.class.getClassLoader());
System.out.println(ClassLoaderDemo.class.getClassLoader());
}
}
執(zhí)行的結(jié)果為：
null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
如果一個(gè)類(lèi)由BootstrapClassLoader加載，那么該類(lèi)的classLoader屬性值為null。如果一個(gè)classloader的父classLoader為BootstrapClassLoader，這個(gè)classloader的parent屬性為null。（反過(guò)來(lái)也成立，null會(huì)被視為BootstrapClassLoader）
類(lèi)加載器行為
- 加載class時(shí)默認(rèn)使用調(diào)用者的classLoader加載。
- classloader自己不加載這個(gè)class，將加載工作轉(zhuǎn)交給父加載器去加載（如果父加載器還有父加載器，一直向上傳遞），如果父加載器找不到這個(gè)類(lèi)無(wú)法加載，子加載器才會(huì)嘗試加載。
- 父加載器加載的class是會(huì)共享給所有的子加載器的（都算作已加載，子加載器的
loadClass方法能夠獲取到父加載器加載的class）。但是多個(gè)平行關(guān)系的子加載器加載的class，互相之間不共享。 - 決定兩個(gè)class是否相同的不僅是包名和class名，還有這個(gè)class的類(lèi)加載器。也就是說(shuō)如果包名和類(lèi)名相同的class被兩個(gè)不存在父子關(guān)系的類(lèi)加載器加載，那么加載后的這兩個(gè)class是完全不同的。
類(lèi)加載機(jī)制
- 全盤(pán)負(fù)責(zé)：當(dāng)一個(gè)類(lèi)加載器負(fù)責(zé)加載某個(gè)Class時(shí)，該Class所依賴(lài)的和引用的其他Class也將由該類(lèi)加載器負(fù)責(zé)載入。除非顯式使用另外一個(gè)類(lèi)加載器來(lái)載入。
- 父類(lèi)委托：任何類(lèi)加載器先讓父類(lèi)加載器試圖加載該類(lèi)，只有在父類(lèi)加載器無(wú)法加載該類(lèi)時(shí)自己才嘗試從自身的類(lèi)路徑中加載該類(lèi)。
- 緩存機(jī)制：緩存機(jī)制將會(huì)保證所有加載過(guò)的Class都會(huì)被緩存，當(dāng)程序中需要使用某個(gè)Class時(shí)，類(lèi)加載器先從緩存區(qū)尋找該Class，只有緩存區(qū)不存在，系統(tǒng)才會(huì)讀取該類(lèi)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成Class對(duì)象，存入緩存區(qū)。這種機(jī)制導(dǎo)致了class文件的修改無(wú)法實(shí)時(shí)在JVM中體現(xiàn)出來(lái)。如果需要實(shí)時(shí)體現(xiàn)出修改（稱(chēng)之為熱加載），需要放棄Class緩存然后使用類(lèi)加載器重新加載（例如再次新創(chuàng)建一個(gè)自定義加載器，重新加載該類(lèi)）。
類(lèi)加載的方式
類(lèi)加載有三種方式：
1 啟動(dòng)應(yīng)用時(shí)候由JVM初始化加載
2 通過(guò)Class.forName()方法動(dòng)態(tài)加載
3 通過(guò)ClassLoader.loadClass()方法動(dòng)態(tài)加載
這三種方式的區(qū)別為：
- 使用ClassLoader.loadClass()加載類(lèi)，不會(huì)執(zhí)行初始化塊
- 使用Class.forName()加載類(lèi)，默認(rèn)會(huì)執(zhí)行初始化塊
- 使用Class.forName()，指定類(lèi)加載器來(lái)加載類(lèi)，不會(huì)執(zhí)行初始化塊
雙親委派模型
雙親委派模型的工作流程是：如果一個(gè)類(lèi)加載器收到了類(lèi)加載的請(qǐng)求，它首先不會(huì)自己去嘗試加載這個(gè)類(lèi)，而是把請(qǐng)求委托給父加載器去完成，依次向上，因此，所有的類(lèi)加載請(qǐng)求最終都應(yīng)該被傳遞到頂層的啟動(dòng)類(lèi)加載器中，只有當(dāng)父加載器在它的搜索范圍中沒(méi)有找到所需的類(lèi)時(shí)，即無(wú)法完成該加載，子加載器才會(huì)嘗試自己去加載該類(lèi)。
雙親委派模型目的是確保類(lèi)的全局唯一性。
ClassLoader類(lèi)的loadClass方法源代碼完整實(shí)現(xiàn)了雙親委派模型。代碼如下所示：
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
// 加鎖，每個(gè)class對(duì)應(yīng)著不同的lock object
// 確保同一個(gè)類(lèi)不會(huì)被同時(shí)加載
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// First, check if the class has already been loaded
// 首先檢查這個(gè)class是否已經(jīng)加載過(guò)了
// 如果已經(jīng)被加載過(guò)，直接返回加載過(guò)的類(lèi)
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
// 如該加載器的父加載器存在，則調(diào)用父類(lèi)加載器的loadClass方法。
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
// 如果parent為null，說(shuō)明父加載器為bootstrap類(lèi)加載器，查找并返回使用bootstrap類(lèi)加載器加載的類(lèi)
// 如果bootstrap沒(méi)有加載該類(lèi)，返回null
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
}
// 如果類(lèi)仍未加載(父類(lèi)加載器沒(méi)有加載，bootstrap類(lèi)加載器也沒(méi)有加載)
// 則調(diào)用findClass方法，親自加載該類(lèi)
if (c == null) {
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
long t1 = System.nanoTime();
// findClass方法是詳細(xì)的根據(jù)類(lèi)名查找類(lèi)二進(jìn)制文件，讀取并解析的過(guò)程
// findClass方法需要ClassLoader的子類(lèi)來(lái)重寫(xiě)
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();
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
上面代碼的主要邏輯為：
- 檢查類(lèi)是否已經(jīng)被加載。如果已被加載，返回加載過(guò)的類(lèi)。
- 如果類(lèi)沒(méi)有被加載，交給該類(lèi)加載器的父加載器去加載。如果父加載器為BootStrapClassLoader，查找并返回它加載的類(lèi)。
- 如果父類(lèi)加載器無(wú)法加載該類(lèi)。自己再親自去加載這個(gè)類(lèi)。
Thread的contextClassLoader
用于使用父加載器加載的類(lèi)去顯式加載子加載器范圍內(nèi)的類(lèi)的情況，打破雙親委派模型。例如Java SPI。SPI的ServiceLoader::load代碼如下所示：
public final class ServiceLoader<S> implements Iterable<S> {
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
// 在Launcher類(lèi)的構(gòu)造器中被賦值為AppClassLoader
// 可以讀取classpath
// ServiceLoader自身默認(rèn)是BootStrap ClassLoader加載的，如果用這個(gè)class loader是無(wú)法讀取到用戶classpath中的類(lèi)的
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
// 這個(gè)方法中最終由指定classLoader的Class.forName方法去加載實(shí)現(xiàn)類(lèi)
return ServiceLoader.load(service, cl);
}
}
從上面分析可知獲取線程context classLoader的方法為：
ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
線程的contextClassLoader默認(rèn)為父線程的contextClassLoader。可以使用setContextClassLoader方法修改。
主要注意的是，contextClassLoader除非有意使用，否則永遠(yuǎn)不會(huì)被調(diào)用。加載class默認(rèn)使用的classLoader永遠(yuǎn)是調(diào)用者的classLoader。
除此之外Context ClassLoader還可以用于線程間classLoader的共享和不同線程間classLoader的隔離。
自定義classLoader使用場(chǎng)景
自定義classLoader的幾個(gè)典型的使用場(chǎng)景：
- 解決依賴(lài)沖突：使用不同的classLoader加載package和name相同的class，可以實(shí)現(xiàn)不同版本的class共存。
- 熱加載：檢測(cè)二進(jìn)制文件變更（最后修改時(shí)間），檢測(cè)到變更之后創(chuàng)建新的classLoader然后加載這個(gè)class（不創(chuàng)建新的classLoader無(wú)法再次加載該class）。
- class加密：對(duì)編譯之后的class文件二進(jìn)制內(nèi)容加密。使用時(shí)借助自定義classLoader讀取加密的二進(jìn)制內(nèi)容，解密后再交給JVM解析class。
編寫(xiě)自定義classLoader需要繼承ClassLoader類(lèi)，重寫(xiě)findClass方法。自定義加載邏輯位于findClass方法中。獲取到Class內(nèi)容byte數(shù)組之后，將其傳遞給defineClass方法，解析為Java的Class。比如說(shuō)上面的class加密，可以在findClass的時(shí)候?qū)υ糲lass文件內(nèi)容解密之后再交給defineClass。
一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，使用自定義classLoader讀取項(xiàng)目編譯輸出目錄（使用maven在IDE里執(zhí)行對(duì)應(yīng)的是target/classes目錄）中指定名字的class二進(jìn)制文件，然后解析為Java的Class。
class MyClassLoader extends ClassLoader {
@Override
protected Class<?> findClass(String name) {
String className = name.replace(".", "/").concat(".class");
byte[] bytes;
try (InputStream stream = getClass().getClassLoader().getResourceAsStream(className);
ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream()) {
int i;
while ((i = stream.read()) != -1) {
outputStream.write(i);
}
bytes = outputStream.toByteArray();
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
if (bytes == null) {
throw new RuntimeException("Class not found");
}
return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
}
}
使用方式：
Class<?> aClass = myClassLoader.loadClass("org.example.ClassLoaderDemo");
Class<?> bClass = myClassLoader.findClass("org.example.ClassLoaderDemo");
System.out.println(aClass.getClassLoader());
System.out.println(bClass.getClassLoader());
輸出為：
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
org.example.MyClassLoader@6bc7c054
解釋?zhuān)?br>
loadClass方法是用雙親委派模型加載，因?yàn)?code>ClassLoaderDemo類(lèi)位于classpath中，在啟動(dòng)的時(shí)候已經(jīng)被AppClassLoader加載過(guò)了。所以aClass的classLoader為AppClassLoader。loadClass方法間接調(diào)用了findClass方法。實(shí)際開(kāi)發(fā)中建議使用loadClass方法。
findClass方法是用戶自己實(shí)現(xiàn)的，如果直接調(diào)用的話沒(méi)有考慮雙親委派模型。這里為了演示直接調(diào)用。不建議在項(xiàng)目中直接使用。
