类加载机制
一、前言
1、Write Once, Run Anywhere
我们都知道Java的最大的特点之一就是跨平台性，Java在诞生之时有一个很牛的口号：“Write Once, Run Anywhere!”.
那么为什么可以做到如此呢？关键点就在于JVM。存有我们业务逻辑的源文件，在通过编译器编译成字节码文件后，可以在不同平台（Windows、Linux等）上运行的 Java 虚拟机（JVM）——负责载入和执行 Java 编译后的字节码——运行。跨平台性的原理就是在JVM层面上屏蔽了不同操作系统上的差异。
2、字节码
操作系统中，是根据文件的类型后缀去判断文件类型的。那么JVM是如何判断一个文件是字节码文件的呢？
所有的字节码文件，都是以0xcafebabe开头的，这被称为“魔数”（Magic Number），是JVM识别字节码文件的标识。
字节码由10部分组成，依次是魔数、版本号、常量池、访问权限、类索引、父类索引、接口索引、字段表索引、方法、Attribute。
二、什么是类加载
类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个
java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。
通俗点来说，类加载就是把编译后的字节码文件装在JVM里的过程。
类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。
三、类加载过程
当程序要使用某个类时，如果该类还未被加载到内存中，则系统会通过 加载，连接，初始化 三步来实现对这个类进行初始化。
1、加载 Loading
一个字节码文件，它肯定是存在于磁盘中或者某个区域，JVM肯定要找到它并导入它，那么是通过什么样的方式去找到它呢？——这个类的全限定路径名，那么加载在干什么事我们就知道了——通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制的字节流。这个二进制字节流所代表的静态结构，转化为内存中的一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区里这个类的各种数据的访问入口。
2、连接 Linking
2.1 验证
验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。简而言之是确保被加载类的正确性、合法性、安全性。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：
文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。
字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。
符号引用验证：确保解析动作能正确执行。
验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。
2.2 准备
负责为类的静态成员分配内存并设置默认初始化值
2.3 解析
将类中的符号引用替换为直接引用 （直接引用：直接指向目标的指针，指的是地址
3、初始化 Initializing
给静态成员变量赋初值，执行类的初始化(静态代码块)内容。
初始化的详细过程：
- 如果类还没有被加载和连接，那就先进行加载和连接；
- 如果类存在父类，且父类还没有初始化，那就先初始化直接父类；
- 如果类中存在初始化语句，顺序执行初始化语句。
四、类加载机制
1、类加载的时机
- 创建类的实例
- 访问类的静态变量
- 主动调用类的静态方法
- 使用反射方式来强制创建某个类或接口对应的java.lang.Class对象
- 初始化某个类的子类，会先触发父类的加载
- 直接使用java.exe命令来运行某个主类
2、类加载器
刚刚所说的加载、连接、初始化最终加载到JVM是怎么做到的呢，其实就是通过类加载器。可以说，类加载器是类加载流程的实现者。
对于任意一个类，都需要由它的类加载器和这个类本身一同确定其在 JVM 中的唯一性。也就是说，如果两个类的加载器不同，即使两个类来源于同一个字节码文件，那这两个类就必定不相等（比如两个类的 Class 对象不 equals）。
JDK自带的Class Loader：
2.1 启动类加载器（Bootstrap Class-Loader）
- JVM自带的引导类加载器。由C/C++语言实现，在Java中打印null。
- 负责Java核心类库的加载，加载 jre/lib 包下面的 jar 文件，比如说常见的 rt.jar、resources.jar，或者java程序运行指定的Xbootclasspath选项jar包。
- 指定加载java，javax，sun等开头的包名类。
2.2 扩展类加载器（Extension or Ext Class-Loader）
-
Java语言编写的类加载器
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader -
指定Bootstrap Classloader为Parent加载器 --> getParent()可获取Bootstrap Classloader
-
负责加载Java平台中扩展功能的一些jar包，包括 jre/lib/ext 包下面的 jar 文件 或者 -Djava.ext.dirs指定目录下的jar包 。
-
如果我们自定义的类需要交给Ext来加载可以放置到ext的目录下。
-
还有需要注意的是，使用-Djava.ext.dirs指令会覆盖Java本身的ext设置。
-
解决方法：
1、把相关的lib复制到新的ext directory下；
2、用冒号拼接多个directory，e.g. -Djava.ext.dirs=./plugin**:$JAVA_HOME/jre/lib/ext**
-
-
2.3 应用类加载器（Application or App Class-Loader）
- Java语言编写的类加载器
sun.misc.Launcher$AppClassLoader - Java程序默认的类加载器，Java应用的类都是该类加载器加载的
- 指定Extension Classloader 为parent加载器 --> getParent()可以获取Extension Classloader
- 负责加载环境变量classpath指定的目录，或者java.class.path指定的目录类库。
通过一个简单例子了解：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
ClassLoader loader = Test.class.getClassLoader();
while (loader != null) {
System.out.println(loader.toString());
loader = loader.getParent();
}
}
}
每个 Java 类都维护着一个指向定义它的类加载器的引用，通过 类名.class.getClassLoader() 可以获取到此引用；然后通过 loader.getParent() 可以获取类加载器的上层类加载器。
其输出结果：
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d
第一行输出为 Test 的类加载器，即应用类加载器，它是sun.misc.Launcher$AppClassLoader类的实例；第二行输出为扩展类加载器，是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类的实例。那启动类加载器呢？
按理说，扩展类加载器的上层类加载器是启动类加载器，但启动类加载器由C/C++语言实现，在Java中为null。
3、双亲委派
3.1 双亲委派模型
先来看看ClassLoader的loadClassd()的源码：
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// First, check if the class has already been loaded
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) {
// 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();
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;
}
}
这段代码其实就是双亲委派机制的根本，如果parent加载器不为null，则继续调用parent的loadClass().
这种层次关系被称作为双亲委派模型：如果一个类加载器收到了加载类的请求，它会先把请求委托给上层加载器去完成，上层加载器又会委托上上层加载器，一直到最顶层的类加载器；如果上层加载器无法完成类的加载工作时，当前类加载器才会尝试自己去加载这个类。
3.2 双亲委派的意义
3.2.1 避免类的重复加载
Java类随着它的类加载器一起具备一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关系可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类的时候，就没有必要子类加载器再加载一次，这对于保证 Java 程序的稳定运作很重要。
如果两个类的加载器不同，即使两个类来源于同一个字节码文件，那这两个类就必定不相等——双亲委派模型能够保证同一个类最终会被特定的类加载器加载。
3.2.2 保护程序安全，防止核心的JAVA语言环境遭受破坏
考虑到安全因素，Java核心API中定义类型不会被随意替换。
举个栗子，在classpath路径下自定义一个名为java.lang.S的类，其包名为java.lang：
package java.lang;
public class S {
public S() {
System.out.println("111");
}
}
运行下面Demo的main方法：
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
S s = new S();
}
}
输出台会报错：
Exception in thread "main" java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
这个报错是说S类的自定义包名java.lang是非法的。java.lang.S类的类加载过程是：经过双亲委派机制，传递到启动类加载器中，由于父类加载器路径下并没有该类，也就是核心包中的java.lang包下没有S这个类，所以不会加载，将反向委托给子类加载器，最终会通过系统类加载器加载该类，但是这样做是不允许的，因为java.lang是核心的API包，核心包都应该交给BootStrap Classloader来加载，需要访问权限，强制加载将会报此异常。
4、自定义类加载器
三个重要函数：loadClass()，findClass()，defineClass()
loadClass()：调用父类加载器的loadClass，加载失败则调用自己的findClass方法
findClass()：根据名称读取文件存入字节数组
defineClass()：把一个字节数组转为Class对象
4.1 自定义一个类加载器
自定义一个类加载器，只需继承ClassLoader类；也可以继承URLClassLoader类。后者的方法更加具象。
然后重写findClass()方法即可，其默认实现是会抛出一个异常。
4.2 为什么需要自定义类加载器？
1、 适配环境隔离
比如tomcat中有改写类加载器：
我们知道Tomcat的源码是用Java语言编写出来的，那么在一个JVM的层面上为什么能够并行地运行多个Web应用呢？来看看《Tomcat类加载机制》这张图：在上方三个JDK自带的类加载器之下，有一个Common ClassLoader，这个类加载器是用来加载Tomcat中公共通用的类；如果是默认用Catalina启动，则用的是Catalina ClassLoader，加载的是Catalina.sh中指定的启动类；JasperLoader是主要加载jsp文件；WebApp ClassLoader 是基于WEB目录或者war工程来进行类加载；Shared ClassLoader 是整个Tomcat层面每一个WEB工程都可以共享使用的。所以说通过这样的一种环境隔离的方式，Tomcat可以做到分层加载，或者说按需加载。
2、 可以从不同数据源来进行字节码的加载
类加载无非找到字节码文件的二进制流，然后读取到JVM内存中，有可能是从数据库、网络、Redis等将这个字节码加载过来。所以说，当我们需要适配各种.class数据源时可以去自定义ClassLoader。
3、 防止源码泄露
Java代码可以轻易的被反编译，如果你需要把自己的代码进行加密以防止反编译，可以先将编译后的代码用某种加密算法加密，类加密后就不能再用Java的ClassLoader去加载类了，这时就需要自定义ClassLoader在加载类的时候先解密类，然后再加载。
4.3 打破双亲委派机制
重写loadClass()方法即可：
@Override
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
c = findClass(name);
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
把loadClass()中使用双亲委派的代码删掉，这样MyClassLoader不用再向上去找类加载器，只会在本类中处理，这样就打破了双亲委派模型。
参考地址：
1、java字节码的魔数是0xCAFEBABE，为什么是4字节，而不是8字节
2、我竟然不再抗拒 Java 的类加载机制了
3、JVM类加载机制
4、Java 类加载机制(阿里)-何时初始化类
5、自定义类加载器以及打破双亲委派模型
6、详解Java类的装载过程及类加载机制
7、Java类加载机制
8、自定义类加载器