详谈JVM类加载机制

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。

JVM执行JAVA代码的流程

通过Java命令执行代码的大体流程如下：
在这里插入图片描述

类加载过程

在上图中，其中loadClass的类加载过程有如下几步：

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，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
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方法(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，后续文章会详细探讨

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

 类被加载到方法区后主要包含 运行时常量池、类型信息、字段信息、方法信息、类加载器的引用、对应class实例的引用等信息。类加载器的引用：这个类的类加载器实例的引用对应class实例的引用：类加载器在加载类信息放到方法区中后，会创建一个对应的Class 类型的对象实例放到堆中, 作为开发人员访问方法区中类定义的入口和切入点。

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

引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）：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、charsets.jar等
扩展类加载器（extension ClassLoader）：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包
应用程序类加载器（App ClassLoader）：负责加载ClassPath路径下的类包，主要就是加载我们自己写的一些类
自定义加载器(Custom ClassLoader)：负责加载用户自定义路径下的类包

上面这些类加载器是有亲子层级结构的，如下图
在这里插入图片描述
双亲委派机制就是：在JVM加载某个类时会先委托父加载器寻找目标类，找不到再委托上层父加载器加载，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。双亲委派机制说简单点就是，先找父亲加载，不行再由儿子自己加载。

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。

//ClassLoader的loadClass方法，里面实现了双亲委派机制
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// 检查当前类加载器是否已经加载了该类Class<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {long t0 = System.nanoTime();try {if (parent != null) { //如果当前加载器父加载器不为空则委托父加载器加载该类c = parent.loadClass(name, false);} else { //如果当前加载器父加载器为空则委托引导类加载器加载该类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();//都会调用URLClassLoader的findClass方法在加载器的类路径里查找并加载该类c = findClass(name);// this is the defining class loader; record the statssun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 ‐ t0);sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}}if (resolve) { //不会执行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

全盘负责委托机制

“全盘负责”是指当一个ClassLoder装载一个类时，除非显式的使用另外一个ClassLoder，否则该类
所依赖及引用的类也由这个ClassLoder载入。

自定义类加载器

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；另一个方法是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。

打破双亲委派机制

上面说到，ClassLoader类的loadClass()方法，实现了双亲委派机制。所以，要打破双亲委派机制，只需要自定义ClassLoader，并重写loadClass()方法即可。

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);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 loadedClass<?> 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 statssun.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.class65 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());}
}

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)