Java类加载

Java类加载过程

加载->[验证->准备->解析]->初始化

加载

通过一个类的完全限定查找此类字节码文件，并利用字节码文件创建一个Class对象。

验证

确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，不会危害虚拟机自身安全。主要包括四种验证：

文件格式验证
元数据验证
字节码验证
符号引用验证。

准备

为类变量(即static修饰的字段变量)分配内存并且设置该类变量的初始值即0(如static int i=5;这里只将i初始化为0，至于5的值将在初始化时赋值)，这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配了，注意这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。

解析

将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。包括：

类或接口的解析；
字段解析；
类方法解析；
接口方法解析。

初始化

类加载最后阶段，若该类具有超类，则对其进行初始化，执行静态初始化器和静态初始化成员变量(如前面只初始化了默认值的static变量将会在这个阶段赋值，成员变量也将被初始化)。

类加载器

引导类加载器(Bootstrap ClassLoader)

启动类加载器主要加载的是JVM自身需要的类，这个类加载使用C++语言实现的，是虚拟机自身的一部分，它负责将 <JAVA_HOME>/lib路径下的核心类库或-Xbootclasspath参数指定的路径下的jar包加载到内存中，注意必由于虚拟机是按照文件名识别加载jar包的，如rt.jar，如果文件名不被虚拟机识别，即使把jar包丢到lib目录下也是没有作用的(出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类)。

扩展类加载器(Extension ClassLoader)

扩展类加载器是指Sun公司(已被Oracle收购)实现的sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类，由Java语言实现的，是Launcher的静态内部类，它负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录下或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位路径中的类库，开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

系统类加载器(System ClassLoader)

也称应用程序加载器是指 Sun公司实现的sun.misc.Launcher$AppClassLoader。它负责加载系统类路径java -classpath或-D java.class.path 指定路径下的类库，也就是我们经常用到的classpath路径，开发者可以直接使用系统类加载器，一般情况下该类加载是程序中默认的类加载器，通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器。

双亲委派模式

对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身来一同确立其在Java虚拟机中的唯一性。

原理

双亲委派模式要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器，请注意双亲委派模式中的父子关系并非通常所说的类继承关系，而是采用组合关系来复用父类加载器的相关代码，类加载器间的关系如下：

如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类加载器去执行，如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。

优势

采用双亲委派模式的是好处是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次；
考虑到安全因素，java核心api中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Integer，而直接返回已加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改；

自定义类加载

实现自定义类加载器需要继承ClassLoader或者URLClassLoader，继承ClassLoader则需要自己重写findClass()方法并编写加载逻辑，继承URLClassLoader则可以省去编写findClass()方法以及class文件加载转换成字节码流的代码。

加载特定路径下的class文件生成class对象；
通过网络传输并且可能会进行相应的加密操作时，需要先对class文件进行相应的解密后再加载到JVM内存；
需要实现热部署功能时(一个class文件通过不同的类加载器产生不同class对象从而实现热部署功能)，需要实现自定义ClassLoader的逻辑；

破坏双亲委派模型

线程上下文类加载器

在Java应用中存在着很多服务提供者接口（Service Provider Interface，SPI），这些接口允许第三方为它们提供实现，如常见的 SPI 有 JDBC、JNDI等，这些 SPI 的接口属于 Java 核心库，一般存在rt.jar包中，由Bootstrap类加载器加载，而 SPI 的第三方实现代码则是作为Java应用所依赖的 jar 包被存放在classpath路径下，由于SPI接口中的代码经常需要加载具体的第三方实现类并调用其相关方法，但SPI的核心接口类是由引导类加载器来加载的，而Bootstrap类加载器无法直接加载SPI的实现类，同时由于双亲委派模式的存在，Bootstrap类加载器也无法反向委托AppClassLoader加载器SPI的实现类。

从图可知rt.jar核心包是有Bootstrap类加载器加载的，其内包含SPI核心接口类，由于SPI中的类经常需要调用外部实现类的方法，而jdbc.jar包含外部实现类(jdbc.jar存在于classpath路径)无法通过Bootstrap类加载器加载，因此只能委派线程上下文类加载器把jdbc.jar中的实现类加载到内存以便SPI相关类使用。显然这种线程上下文类加载器的加载方式破坏了“双亲委派模型”，它在执行过程中抛弃双亲委派加载链模式，使程序可以逆向使用类加载器，当然这也使得Java类加载器变得更加灵活。

DriveManager加载mysql驱动包中的com.mysql.jdbc.Driver源码：

public class DriverManager {
    /**
     * Load the initial JDBC drivers by checking the System property
     * jdbc.properties and then use the {@code ServiceLoader} mechanism
     */
    static {
        loadInitialDrivers();
        println("JDBC DriverManager initialized");
    }
    
    private static void loadInitialDrivers() {
        //...去除无关代码
        ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
        //...去除无关代码
    }
}

ServiceLoader.load()源码：

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    //使用线程上下文类加载器加载
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

Launcher初始化的时候，会获取AppClassLoader，然后将其设置为上下文类加载器，源码：

public Launcher() {
    //...
        try {
            this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
        } catch (IOException var9) {
            throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
        }
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);        
    //...
}

核心包的SPI类对外部实现类的加载都是基于线程上下文类加载器执行的，通过这种方式实现了Java核心代码内部去调用外部实现类。我们知道线程上下文类加载器默认情况下就是AppClassLoader，那为什么不直接通过getSystemClassLoader()获取类加载器来加载classpath路径下的类的呢？其实是可行的，但这种直接使用getSystemClassLoader()方法获取AppClassLoader加载类有一个缺点，那就是代码部署到不同服务时会出现问题，如把代码部署到Java Web应用服务或者EJB之类的服务将会出问题，因为这些服务使用的线程上下文类加载器并非AppClassLoader，而是Java Web应用服自家的类加载器，类加载器不同。所以我们应用该少用getSystemClassLoader()。总之不同的服务使用的可能默认ClassLoader是不同的，但使用线程上下文类加载器总能获取到与当前程序执行相同的ClassLoader，从而避免不必要的问题。

JVM-04丨Java类加载