Java類加載機制及類加載器詳解
本文轉載自微信公眾號「愛寫Bug的麥洛」，作者麥洛。轉載本文請聯系愛寫Bug的麥洛公眾號。
一、類加載機制
1.什么是類加載?
熟悉java開發的同學都知道,我們日常所寫的代碼都被保存到.java文件中。這些".java"文件經過Java編譯器編譯成拓展名為".class"的文件，".class"文件中保存著Java代碼經轉換后的虛擬機指令，當需要使用某個類時，虛擬機將會加載它的".class"文件，并創建對應的class對象，將class文件加載到虛擬機的內存，這個過程稱為類加載
2.類加載的過程
加載，驗證，準備，解析，初始化，使用和卸載。其中驗證，準備，解析3個部分統稱為連接。
這7個階段發生順序如下圖：
其中加載，驗證，準備，解析及初始化是屬于類加載機制中的步驟。注意此處的加載不等同于類加載,大家兩張圖對比看著理解。
3.觸發類加載的條件
①.遇到new,getstatic,putstatic或invokestatic這4條字節碼指令時，如果類沒有進行過初始化，則需要先觸發初始化。生成這4條指令的最常見的Java代碼場景是：使用new關鍵字實例化對象的時候，讀取或設置一個類的靜態字段的時候(被final修飾，已在編譯期把結果放入常量池的靜態字段除外)，以及調用一個類的靜態方法的時候。
②.使用java.lang.reflect包的方法對類進行反射調用的時候。
③.當初始化一個類的時候，發現其父類還沒有進行過初始化，則需要先出發父類的初始化。
④.當虛擬機啟動時，用戶需要指定一個要執行的主類(包含main()方法的那個類)，虛擬機會先初始化這個主類。
⑤.當使用JDK1.7的動態語言支持時，如果一個java.lang.invoke.MethodHandle實例最后的解析結果REF_getStatic,REF_putStatic,REF_invokeStatic的方法句柄，并且這個方法句柄所對應的類沒有進行初始化，則需要先出發初始化。
4.類加載的具體過程
加載:
①.通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進制字節流
②.將這個字節流所代表的靜態存儲結構轉換為方法區內的運行時數據結構
③.在內存中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象，作為方法區這個類的各種數據的訪問入口。驗證：
是連接階段的第一步，目的是為了確保Class文件的字節流中包含的信息符合當前虛擬機的要求，并且不會危害虛擬機自身的安全。
包含四個階段的校驗動作
a.文件格式驗證 驗證字節流是否符合Class文件格式的規范，并且能被當前版本的虛擬機處理。b.元數據驗證 對類的元數據信息進行語義校驗，是否不存在不符合Java語言規范的元數據信息 c.字節碼驗證 最復雜的一個階段，主要目的是通過數據流和控制流分析，確定程序語義是合法的，符合邏輯的。對類的方法體進行校驗分析，保證被校驗類的方法在運行時不會做出危害虛擬機安全的事件。d.符號引用驗證 最后一個階段的校驗發生在虛擬機將符號引用轉換為直接引用的時候，這個轉換動作將在連接的第三個階段——解析階段中發生。符號驗證的目的是確保解析動作能正常進行。
準備：準備階段是正式為類變量分配內存并設置類變量初始值的階段。這些變量所使用的內存都將在方法區中分配。只包括類變量。初始值“通常情況”下是數據類型的零值。
“特殊情況”下，如果類字段的字段屬性表中存在ConstantValue屬性，那么在準備階段變量的值就會被初始化為ConstantValue屬性所指定的值。
解析：虛擬機將常量池內的符號引用替換為直接引用的過程。
“動態解析”的含義就是必須等到程序實際運行到這條指令的時候，解析動作才能進行。相對的，其余可觸發解析的指令都是“靜態”的，可以在剛剛完成加載階段，還沒有開始執行代碼時就進行解析。
初始化：
類加載過程中的最后一步。
初始化階段是執行類構造器()方法的過程。
()方法是由編譯器自動收集類中的所有類變量的賦值動作和靜態語句塊中的語句合并產生的。
()與類的構造函數不同，它不需要顯示地調用父類構造器，虛擬機會保證在子類的()方法執行之前，父類的()方法已經執行完畢。
簡單地說，初始化就是對類變量進行賦值及執行靜態代碼塊。
二、類加載器
通過上述的了解，我們已經知道了類加載機制的大概流程及各個部分的功能。其中加載部分的功能是將類的class文件讀入內存，并為之創建一個java.lang.Class對象。這部分功能就是由類加載器來實現的。
1.類加載器分類：
不同的類加載器負責加載不同的類。主要分為兩類。
啟動類加載器(Bootstrap ClassLoader)：由C++語言實現(針對HotSpot),負責將存放在
擴展類加載器(Extension ClassLoader)：負責加載
應用程序類加載器(Application ClassLoader)：負責加載用戶類路徑(classpath)上的指定類庫，我們可以直接使用這個類加載器，通過ClassLoader.getSystemClassLoader()方法直接獲取。一般情況，如果我們沒有自定義類加載器默認就是用這個加載器。
其他類加載器：由Java語言實現，繼承自抽象類ClassLoader。
下面我們來具體了解上述幾個類加載器實現類加載過程時相互配合協作的流程。
2.雙親委派模型
雙親委派模型的工作流程是：如果一個類加載器收到了類加載的請求，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把請求委托給父加載器去完成，依次向上，因此，所有的類加載請求最終都應該被傳遞到頂層的啟動類加載器中，只有當父加載器在它的搜索范圍中沒有找到所需的類時，即無法完成該加載，子加載器才會嘗試自己去加載該類。
這樣的好處是不同層次的類加載器具有不同優先級，比如所有Java對象的超級父類java.lang.Object，位于rt.jar，無論哪個類加載器加載該類，最終都是由啟動類加載器進行加載，保證安全。即使用戶自己編寫一個java.lang.Object類并放入程序中，雖能正常編譯，但不會被加載運行，保證不會出現混亂。
3.雙親委派模型的代碼實現
ClassLoader中loadClass方法實現了雙親委派模型
- protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
- throws ClassNotFoundException
- {
- synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
- //檢查該類是否已經加載過
- Class c = findLoadedClass(name);
- if (c == null) {
- //如果該類沒有加載，則進入該分支
- long t0 = System.nanoTime();
- try {
- if (parent != null) {
- //當父類的加載器不為空，則通過父類的loadClass來加載該類
- c = parent.loadClass(name, false);
- } else {
- //當父類的加載器為空，則調用啟動類加載器來加載該類
- c = findBootstrapClassOrNull(name);
- }
- } catch (ClassNotFoundException e) {
- //非空父類的類加載器無法找到相應的類，則拋出異常
- }
- if (c == null) {
- //當父類加載器無法加載時，則調用findClass方法來加載該類
- long t1 = System.nanoTime();
- c = findClass(name); //用戶可通過覆寫該方法，來自定義類加載器
- //用于統計類加載器相關的信息
- sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
- sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
- sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
- }
- }
- if (resolve) {
- //對類進行link操作
- resolveClass(c);
- }
- return c;
- }
- }
整個流程大致如下：
a.首先，檢查一下指定名稱的類是否已經加載過，如果加載過了，就不需要再加載，直接返回。
b.如果此類沒有加載過，那么，再判斷一下是否有父加載器;如果有父加載器，則由父加載器加載(即調用parent.loadClass(name, false);).或者是調用bootstrap類加載器來加載。
c.如果父加載器及bootstrap類加載器都沒有找到指定的類，那么調用當前類加載器的findClass方法來完成類加載。
