1 类加载机制
多个 java 文件经过编译打包后生成可运行 jar 包，最终由 java 命令运行某个主类的 main 函数启动程序，这里首先需要通过类加载器把主类加载到 JVM。
主类在运行过程中如果使用到其它类，会逐步加载这些类。
注意：jar 包里的类不是一次性全部加载的，是使用到时才加载。
类加载到使用整个过程有如下几步：
加载 » 验证 » 准备 » 解析 » 初始化 » 使用 » 卸载
- 加载：在硬盘上查找并通过 IO 读入字节码文件，使用到类时才会加载，例如：调用类的 Main() 方法，new 对象等等
- 验证：校验字节码文件的正确性
- 准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值
- 解析：将符号引用替换为直接引用，该阶段会把一些静态变量（符号引用，比如：Main() 方法）替换为指向数据所存内存的指针或句柄等（直接引用），这是所谓的静态链接过程（类加载期间完成），动态链接是在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用
- 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
类加载过程图
2 类加载器和双亲委派机制
上面的类加载过程主要是通过类加载器来实现的，Java 里有如下几种类加载器：
- 启动类加载器：负责加载支撑 JVM 运行的位于 JRE 的 lib 目录下的核心类库，比如 rt.jar、charset.jar 等
- 扩展类加载器：负责加载支撑 JVM 运行的位于 JRE 的 lib 目录下的 ext 扩展目录中的 JAR 类包
- 应用程序类加载器：负责加载 ClassPath 路径下的类包，主要加载你自己写的那些类
- 自定义加载器： 负责加载用户自定义路径下的类包
类加载器示例：
...
import com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory;
public class TestClassLoader {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(String.class.getClassLoader());
System.out.println(DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());
System.out.println(TestClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());
System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader().getClass().getName());
}
}
运行结果：
null // 启动类加载器是C++语言实现，所以打印不出来
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader
2.1 自定义一个类加载器示例：
自定义类加载器只需要继承 java.lang.ClassLoader 类，该类有两个核心方法，一个是 loadClass(String, boolean)，实现了双亲委派机制，大体逻辑：
- 首先，检查一下指定名称的类是否已经加载过，如果加载过了，就不需要再加载，直接返回
- 如果此类没有加载过，那么再判断一下是否有父加载器；如果是父加载器，则由父加载器加载（即调用 parent.loadClass(name, false);)，或者是调用 bootstrap 类加载器来加载
- 如果父加载器及 bootstrap 类加载器都没有找到指定的类，那么调用当前类加载器的 findClass 方法完成类加载
findClass 方法默认实现是抛出异常，所以我们自定义类加载器主要是重写 findClass 方法，示例如下：
...
import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
public class MyClassLoaderTest {
static class MyClassLoader extends ClassLoader {
private final String classPath;
public MyClassLoader(String classPath) {
this.classPath = classPath;
}
private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
name = name.replaceAll("\\.", "/");
FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name + ".class");
int len = fis.available();
byte[] data = new byte[len];
fis.read(data);
fis.close();
return data;
}
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
byte[] data = loadByte(name);
// defineClass 将一个字节数组转为 Class 对象，这个字节数组是 class 文件读取后最终的字节数组。
return defineClass(name, data, 0, data.length);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
throw new ClassNotFoundException();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException,
InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException {
MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader("D:/test");
Class<?> clazz = myClassLoader.loadClass("com.wmg.jvm.user");
Object obj = clazz.newInstance();
Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
method.invoke(obj, null);
System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
}
运行结果：
=======自己的加载器加载类调用方法=======
com.wmg.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoade
2.2 双亲委派机制
JVM 类加载器双亲委派结构图：
这里类加载其实就有一个双亲委派机制，加载某个类时会先委托加载器寻找目标类，找不到再委托上层加载器加载，如果所有父加载器在自己的加载类路径下都找不到目标类，则在自己的类加载路径中查找并载入目标类。
比如我们的 Math 类，最先会找应用程序加载器加载，应用程序类加载器会先委托扩展类加载器加载，扩展类加载器在委托启动类加载器，顶层启动类加载器在自己的类加载路径里没有找到 Math 类，则向下退回加载 Math 类的请求，扩展类加载器收到回复就自己加载，在自己的类加载路径里中找也没找到 Math 类，又向下退回 Math 类的加载请求给应用程序类加载器，应用程序类于是在自己的类加载路径里找 Math 类，结果找到了就自己加载。
双亲委派机制简单点说就是，先找父亲加载，不行再有儿子自己加载
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
一个类的加载示例：
public class String {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("---------my String class----------");
}
}
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.Applicatizon
再来一个沙箱安全机制示例，尝试打破双亲委派机制，用自定义加载器加载我们自己实现 java.lang.String.class
import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
public class MyClassLoaderTest2 {
static class MyClassLoader2 extends ClassLoader {
private final String classPath;
public MyClassLoader2(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();
}
}
/**
* 重新类加载方法，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载
* @param name
* @param resolve
* @return
*/
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 no found, then invoke findClass in order
// to find the class
long t1 = System.nanoTime();
// this is the defining class loader; record the status
sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
if(resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
}
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException,
InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException {
MyClassLoaderTest.MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoaderTest.MyClassLoader("D:/test");
Class<?> clazz = myClassLoader.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());
}
运行结果：
java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:659)
at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:758)
打破双亲委派
以 Tomcat 类加载为例，Tomcat 如果使用默认的双亲委派加载机制行不行？
我们思考一下：Tomcat 是个 web 容器，那么他要解决什么问题：
- 一个 web 容器可能需要部署两个应用程序，不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类的不同版本，不能要求同一个类库在同一个服务器只有一份，因此要保证每个应用程序的类库都是是独立的，保证相互隔离
- 部署在同一个 web 容器中相同的类库相同的版本可以共享。否则，如果服务器有 10 个应用程序，那么要有 10 份相同的类库加载进虚拟机
- web 容器也有自己依赖的类库，不能与应用程序的类库混淆。基本安全考虑，应该让容器的类库和程序的类库隔离开来
- web 容器要支持 jsp 的修改，我们知道，jsp 文件最终也是要编译成 class 文件才能在虚拟机中运行，但程序运行后修改 jsp 已经是司空见惯的事情，web 容器需要支持 jsp 修改后不用重启
答案是：使用 默认的双亲委派类加载机制是不行的。
第一个问题，如果使用默认的类加载器机制，那么是无法加载两个相同类库的不同版本的，默认的类加载器是不管你是什么版本，只在乎你的全限定类名，并且只有一份。
第二个问题，默认的类加载器是能够实现的，因为他的职责是保证唯一性。
第三个问题和第一个问题一样。
第四个问题，我们想要怎么实现 jsp 文件的热加载，jsp 文件其实也就是 class 文件，那么如果修改了，但类名还是一样，类加载器会直接取方法区中已经存在的，修改后的 jsp 是不会重新加载的。那么怎么办？我们可以直接卸载这 jsp 文件的类加载器，所以应该想到了，每个 jsp 文件对应一个唯一的类加载器，当一个 jsp 文件修改了，就直接卸载这个 jsp 类加载器。重新创建类加载器，重新加载 jsp 文件。
Tomcat自定义加载器详解
tomcat 的几个主要类加载器：
- CommonClassLoader：Tomcat 最基本的类加载器，加载路径中的 class 可以被 Tomcat 容器本身以及各个 Webapp 访问
- CatalinaClassLoader：Tomcat 容器私有的类加载器，加载路径中年的 class 对于 Webapp 不可见
- ShareClassLoader：各个 Webapp 共享的类加载器，加载路径中的 class 对于所有 Webapp 可见，但是对于 Tomcat 容器不可见
- WebappClassLoader：各个 Webapp 私有的类加载器，加载路径转给你的 class 只对当前 Webapp 可见
从图中的委派关系中可以看出：
CommonClassLoader 能加载的类都可以被 CatalinaClassLoader 和 ShareClassLoader 使用，从而实现了公有类的公用，而 CatalinaClassLoader 和 ShareClassLoader 自己能加载的类则与对方隔离。
WebAppClassLoader 可以使用 ShareClassLoader 加载到的类，但各个 WebAppClassLoader 实例直接相互隔离。
而 JasperClassLoader 的加载范围仅仅是这个 jsp 文件所编译出来的哪一个 .Class 文件，他出现的目的就是为了被丢弃：当 Web 容器检测到 jsp 被修改时，会替换掉目前的 JasperClassLoader的实例，并通过在建立一个新的 jsp 类加载器实现 jsp 文件的热加载功能。
tomcat 这种类加载机制违背了 java 推荐的双亲委派模型乱码？答案是：违背了。
双亲委派要求出了顶层的启动类加载器之外，其余的类加载器都应答由自己的父类加载器加载。
很显然，tomcat 不是这样实现，tomcat 为了实现隔离，没有遵守这个约定，每个 WebAppClassLoader 加载自己的目录下的 class 文件，不会传递给父类加载器，打破了双亲委派机制。
