类加载过程

Java 类加载过程大体上可以分为三个阶段：加载、链接、初始化。详细定义可以查看java虚拟机规范 (opens new window)。

其中链接（Linking）阶段又可以分为：验证、准备、解析

• 加载（Loading）：从任意数据源（例如：文件、jar包、数据库，甚至是网络）中获得字节流并加载到 jvm 中，然后映射为一个 Class 对象
• 链接（Linking）
  1. 验证（Verification）：验证字节码是否符合 jvm 规范，是 jvm 安全运行的报障
  2. 准备（Preparation）：创建类（包括接口）中的静态变量，并为静态变量赋初始值，分配所需要的内存空间
  3. 解析（Resolution）：将常量池中的符号引用替换为直接引用
• 初始化（Initialization）：执行编译器自动生成的 <clinit>()方法（如果没有静态变量或者静态代码块，则不会生成<clinit>()方法），为静态变量赋值，执行静态代码块逻辑（static），父类初始化优先于子类

<clinit>()方法是为静态变量赋值和执行静态代码块，在编译期间自动收集所有静态变量和所有静态代码块，合并成一个方法

如果是final修饰的静态变量，在编译期就已经赋值，不会包含在<clinit>()方法里

双亲委派

双亲委派机制是一种规范，在类加载过程中，优先使用父级已经加载的 Class（与父级类加载器是组合关系，不是继承），如果父类也没有定义对应的 Class，则继续向父级的父级查找，直到父级 Classloader 为 null（启动类加载器 - BootstrapClassLoader），委派模型的目的是为了避免重复加载 Class。

委派关系图如下

双亲委派的意义：

1. 避免类被重复加载
2. 保护核心类库被篡改

打破双亲委派的意义

1. 资源隔离，如 tomcat 支持部署多个项目，并且互不干扰
2. 解决 jar 包冲突，如老项目迭代，存在两个不同版本jar包，解决版本冲突

可以通过启动参数，指定对应类加载器加载的 jar \ Class 文件

• 启动类加载器 - BootstrapClassLoader

  # 指定新的bootclasspath，替换java.*包的内部实现
  java -Xbootclasspath:<your_boot_classpath>
  # a意味着append，将指定目录添加到bootclasspath后面
  java -Xbootclasspath/a:<your_dir>
  # p意味着prepend，将指定目录添加到bootclasspath前面
  java -Xbootclasspath/p:<your_dir>
  

  // 打印加载路径
  URL[] urLs = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
  System.out.println("================启动类加载器================");
  for (URL urL : urLs) {
      System.out.println(urL);
  }
  

• 扩展类加载器 - ExtClassLoader

  # 覆盖 jre/lib/ext/ 目录的 jar 包
  java -Djava.ext.dirs=path_to_ext_dir
  

  System.out.println("================扩展类加载器================");
  String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
  // String[] dirs = extDirs.split(";"); // for windows
  String[] dirs = extDirs.split(":");
  for (String dir : dirs) {
      System.out.println(dir);
  }
  

• 应用程序类加载器 App(System)ClassLoader

  # -classpath 或者 -cp，两者等价，多个文件或路径用`:`分隔（windows用`;`）
  java -cp path_to_jar:path_to_dir
  # 指定应用程序类加载器，设置这个参数后 App(System)ClassLoader 将成为自定义类加载器的父亲
  java -Djava.system.class.loader=com.pkg.MyClassLoader
  

提示

详细可查看《深入理解Java虚拟机-第3版》- 7.4.2 双亲委派模型

实际上，并不是所有的类加载器都符合这个规范，例如 Tomcat 通过自定义的类加载器，实现了应用隔离和动态编译 jsp。

tomcat 类加载器架构

自定义 Classloader

java 支持用户实现自定义 Classloader来实现不修改 jdk 代码的同时来扩展 java 功能，这一点在 c 和 c++ 就无法实现。

要自定义 ClassLoader 只需要继承 java.lang.ClassLoader 或其子类，通常我们可以重写findClass(String name)或者loadClass(String name, boolean resolve)方法实现自定义类加载逻辑。

通过查看loadClass(String name, boolean resolve)方法源码可以知道，方法内部会首先判断parent是否已经加载过对应类，如果没有加载才会执行自身的加载逻辑，即：保留了双亲委派模型。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
            }
            if (c == null) {
                long t1 = System.nanoTime();
                c = findClass(name);
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

由此得出：

• 保留双亲委派模型则重写findClass方法
• 不保留双亲委派模型则重写loadClass方法

应用

自定义类加载器的常见应用

1. 实现模块化机制，可以隔离运行环境，解决jar包冲突等
2. 实现代码热加载（如 tomcat 实现 jsp 热加载）
3. 字节码加密，防止反编译
4. 扩展加载源