前言

本篇文章记录有关JVM类加载机制包括大体流程和类加载器及双亲委派机制等。

一、类加载运行的全过程

在说类加载运行之前我们先简单的看个图了解一下JVM包括哪些内容。

当我们用Java命令运行某个类的main函数启动程序时，首先需要通过类加载器把主类加载到JVM。

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图中通过调用loadClass的类加载过程有如下5步：加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化

加载：在加载阶段会在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。值得注意的是这里不一定非得要从一个 Class 文件获取，这里既可以从 ZIP 包中读取（比如从 jar 包和 war 包中读取），也可以在运行时计算生成（动态代理），也可以由其它文件生成（比如将 JSP 文件转换成对应的 Class 类）。
验证：校验字节码文件的正确性，确保 Class 文件的字节流中包含的信息是否符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。
准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值。

代码如下（示例1）：
```
public static int v = 8080;
```
实际上变量 v 在准备阶段过后的初始值为 0 而不是 8080；存放于类构造器方法之中，在初始化之后才是8080.
代码如下（示例2）：
```
public static final int v = 8080;
```
此处的变量v的值就是8080，因为在编译阶段会为 v 生成 ConstantValue 属性，在准备阶段虚拟机会根据 ConstantValue 属性将 v赋值为 8080。
解析：虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。
符号引用：符号引用与虚拟机实现的布局无关，引用的目标并不一定要已经加载到内存中。
直接引用：直接引用可以是指向目标的指针，相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。如果有
了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。
初始化：对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块。

注意：主类在运行过程中如果使用到其它类，会逐步加载这些类。 jar包或war包里的类不是一次性全部加载的，是使用到时才加载。
代码如下（示例）：

package com.daydayup.jvm;

public class TestDynamicLoad {
    static {
        System.out.println("*************load TestDynamicLoad************");
    }
    public static void main(String[] args) {
        new A();
        System.out.println("*************load test************");
        B b = null; //B不会加载，除非这里执行 new B()
         }
}
class A {
    static {
        System.out.println("*************load A************");
    }
    public A() {
        System.out.println("*************initial A************");

         }
}
class B {
    static {
        System.out.println("*************load B************");
    }
    public B() {
        System.out.println("*************initial B************");
    }
}

运行结果：
*************load TestDynamicLoad************
*************load A************
*************initial A************
*************load test************

二、类加载器和双亲委派机制

1.类加载器

上面的类加载过程主要是通过类加载器实现的，Java里有如下类型的加载器。
启动类/引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）:负责加载 JAVA_HOME\lib 目录中的，或通过-Xbootclasspath 参数指定路径中的，且被虚拟机认可（按文件名识别，如 rt.jar）的类。
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载 JAVA_HOME\lib\ext 目录中的，或通过 java.ext.dirs 系统变量指定路径中的类库。
应用程序类加载器（Application ClassLoader）:负责加载用户路径（classpath）上的类库，也就是自己写的那些类。
自定义加载器（User ClassLoader）：负责加载用户自定义路径下的类包。
类加载器（示例）：

package com.daydayup.jvm;

import sun.misc.Launcher;

import java.net.URL;

public class TestClassLoader {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println(TestClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());

        System.out.println();
        ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        ClassLoader extClassloader = appClassLoader.getParent();
        ClassLoader bootstrapLoader = extClassloader.getParent();
        System.out.println("the bootstrapLoader : " + bootstrapLoader);
        System.out.println("the extClassloader : " + extClassloader);
        System.out.println("the appClassLoader : " + appClassLoader);

        System.out.println();
        System.out.println("bootstrapLoader加载以下文件：");
        URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
            System.out.println(urls[i]);
        }

        System.out.println();
        System.out.println("extClassloader加载以下文件：");
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));

        System.out.println();
        System.out.println("appClassLoader加载以下文件：");
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
    }
}
运行结果：
null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader

the bootstrapLoader : null
the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4b67cf4d
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

bootstrapLoader加载以下文件：
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/resources.jar
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/rt.jar
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/jsse.jar
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/jce.jar
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/charsets.jar
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/jfr.jar
file:/D:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_211/jre/classes

extClassloader加载以下文件：
D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

appClassLoader加载以下文件：
D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\charsets.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\deploy.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext\cldrdata.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext\dnsns.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext\jaccess.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext\jfxrt.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext\localedata.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext\nashorn.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext\sunec.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext\zipfs.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\javaws.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\jce.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\jfr.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\jfxswt.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\jsse.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\management-agent.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\plugin.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\resources.jar;D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\rt.jar;D:\WorkSpace\target\classes;D:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2019.3\lib\idea_rt.jar

2.双亲委派机制

当一个类收到了类加载请求，他首先不会尝试自己去加载这个类，而是把这个请求委派给父类去完成，每一个层次类加载器都是如此，因此所有的加载请求都应该传送到启动类加载其中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个请求的时候（在它的加载路径下没有找到所需加载的Class），子类加载器才会尝试自己去加载。
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我们来看下应用程序类加载器AppClassLoader加载类的双亲委派机制源码，AppClassLoader
的loadClass方法最终会调用其父类ClassLoader的loadClass方法，该方法的大体逻辑如下：

首先，检查一下指定名称的类是否已经加载过，如果加载过了，就不需要再加载，直接返回。
如果此类没有加载过，那么，再判断一下是否有父加载器；如果有父加载器，则由父加载器加载（即调用parent.loadClass(name, false);）.或者是调用bootstrap类加载器来加载。
如果父加载器及bootstrap类加载器都没有找到指定的类，那么调用当前类加载器的findClass方法来完成类加载。

loadClass源码（示例）：

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;
        }
    }

为什么要设计双亲委派机制？
沙箱安全机制：自己写的java.lang.String.class类不会被加载，这样便可以防止核心API库被随意篡改。
避免类的重复加载：当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次，保证被加载类的唯一性
代码如下（示例）：

package java.lang;

public class String {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("---------test---------");
    }
}
运行结果：
错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
   public static void main(String[] args)
否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application

全盘负责委托机制
“全盘负责”是指当一个ClassLoder装载一个类时，除非显示的使用另外一个ClassLoder，该类所依赖及引用的类也由这个ClassLoder载入。
自定义类加载器示例：
自定义类加载器只需要继承 java.lang.ClassLoader 类，该类有两个核心方法，一个是
loadClass(String, boolean)，实现了双亲委派机制，还有一个方法是findClass，默认实现是空
方法，所以我们自定义类加载器主要是重写findClass方法。
代码如下（示例）：

package com.daydayup.jvm;

import java.io.FileInputStream;

public class MyClassLoaderTest {

    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;

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

        private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name
                    + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                //defineClass将一个字节数组转为Class对象，这个字节数组是class文件读取后最终的字节 数组。
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }
    }
}

打破双亲委派机制
再来一个沙箱安全机制示例，尝试打破双亲委派机制，用自定义类加载器加载我们自己实现的java.lang.String.class
代码如下（示例）：

package com.daydayup.jvm;

import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;

public class MyClassLoaderTest {

    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;

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

        private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name
                    + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                //defineClass将一个字节数组转为Class对象，这个字节数组是class文件读取后最终的字节 数组。
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }

        /**
         * 重写类加载方法，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载
         * @param name
         * @param resolve
         * @return
         * @throws ClassNotFoundException
         */
        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) {
                    // 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.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }
    }
    public static void main(String args[]) throws Exception { 
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test"); 
        //尝试用自己改写类加载机制去加载自己写的java.lang.String.class
         Class clazz = classLoader.loadClass("java.lang.String"); 
         Object obj = clazz.newInstance(); 
         Method method= clazz.getDeclaredMethod("sout", null); 
         method.invoke(obj, null); 
         System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName()); 
    }

}