从 JDK 方向看一下 JVM 类加载机制

类加载运行全过程

我们用 Java 命令运行某个类得 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 中。

public class Math {
public static final int initData = 666;
public static User user = new User();

public int compute() { //一个方法对应一块栈帧内存区域
int a = 1;
int b = 2;
 int c = (a + b) * 10;
 return c;
 }

 public static void main(String[] args) {
 Math math = new Math();
 math.compute();
 }

 }

通过 Java 命令执行代码的大体流程如下：

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。
• 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

类被加载到方法区中后主要包含 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：这个类到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(Heap)中, 作为开发人员访问方法区中类定义的入口和切入点。

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。

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************");21 }
 }

 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************

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：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：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：负责加载 ClassPath 路径下的类包，主要就是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

看一个类加载器示例：

public class TestJDKClassLoader {

 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(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());
 System.out.println();9 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$ExtClassLoader@3764951d
 the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@14dad5dc

 bootstrapLoader加载以下文件：
 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/resources.jar
 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/rt.jar
 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/sunrsasign.jar
 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jsse.jar
 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jce.jar
 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/charsets.jar
 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jfr.jar
 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/classes52
 extClassloader加载以下文件：
 D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

 appClassLoader加载以下文件：
 D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\charsets.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib
\deploy.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\access‐bridge‐64.jar;D:\dev\Java
\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\cldrdata.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\dnsns.j
ar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\jaccess.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\l
ib\ext\jfxrt.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\localedata.jar;D:\dev\Java
\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\nashorn.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunec.j
ar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_
45\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;D:
ev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\zipfs.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\javaws.
ar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jce.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jfr.j
ar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jfxswt.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\js
se.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\management‐
agent.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\plugin.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre
\lib\resources.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\rt.jar;D:\ideaProjects\projec
t‐all\target\classes;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\apache\zookeeper\zookeepe
r\3.4.12\zookeeper‐3.4.12.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\slf4j\slf4j‐
api\1.7.25\slf4j‐api‐1.7.25.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\slf4j\slf4j‐lo
g4j12\1.7.25\slf4j‐log4j12‐
1.7.25.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\log4j\log4j\1.2.17\log4j‐
1.2.17.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\jline\jline\0.9.94\jline‐
0.9.94.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\apache\yetus\audience‐
annotations\0.5.0\audience‐annotations‐0.5.0.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\i
o\netty\netty\3.10.6.Final\netty‐3.10.6.Final.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository
\com\google\guava\guava\22.0\guava‐22.0.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\go
ogle\code\findbugs\jsr305\1.3.9\jsr305‐1.3.9.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\c
om\google\errorprone\error_prone_annotations\2.0.18\error_prone_annotations‐2.0.
18.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\j2objc\j2objc‐annotations\1.1\j2
objc‐annotations‐1.1.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\codehaus\mojo\animal‐
sniffer‐annotations\1.14\animal‐sniffer‐annotations‐1.14.jar;D:\dev\IntelliJ IDE
A 2018.3.2\lib\idea_rt.jar

类加载器初始化过程

参见类运行加载全过程图可知其中会创建 JVM 启动器实例 sun.misc.Launcher。
sun.misc.Launcher 初始化使用了单例模式设计，保证一个 JVM 虚拟机内只有一个
sun.misc.Launcher 实例。
在 Launcher 构造方法内部，其创建了两个类加载器，分别是 sun.misc.Launcher.ExtClassLoader(扩展类加载器)和 sun.misc.Launcher.AppClassLoader(应用类加载器)。
JVM 默认使用 Launcher 的getClassLoader()方法返回的类加载器 AppClassLoader 的实例加载我们的应用程序。

//Launcher的构造方法
public Launcher() {3 Launcher.ExtClassLoader var1;
try {
//构造扩展类加载器，在构造的过程中将其父加载器设置为null
var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
} catch (IOException var10) {
throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
}

 try {
 //构造应用类加载器，在构造的过程中将其父加载器设置为ExtClassLoader，
 //Launcher的loader属性值是AppClassLoader，我们一般都是用这个类加载器来加载我们自
写的应用程序
 this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
 } catch (IOException var9) {
 throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
 }

 Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
 String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
 。。。 。。。 //省略一些不需关注代码

 }

双亲委派机制

JVM 类加载器是有亲子层级结构的，如下图：

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。
比如我们的 Math 类，最先会找应用程序类加载器加载，应用程序类加载器会先委托扩展类加载器加载，扩展类加载器再委托引导类加载器，顶层引导类加载器在自己的类加载路径里找了半天没找到 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找了半天也没找到 Math 类，又向下退回 Math 类的加载请求给应用程序类加载器，应用程序类加载器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了。。
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：

1. 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。
2. 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。
3. 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
 }
21 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 stats
 sun.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

package java.lang;

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.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。

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
组。
 return defineClass(name, data, 0, data.length);
 } catch (Exception e) {
 e.printStackTrace();
 throw new ClassNotFoundException();
 }
 }
 }
public static void main(String args[]) throws Exception {
 //初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，其中会把自定义类加载器的父加载
设置为应用程序类加载器AppClassLoader
 MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
 //D盘创建 test/com/tuling/jvm 几级目录，将User类的复制类User1.class丢入该目录
 Class clazz = classLoader.loadClass("com.tuling.jvm.User1");
 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.tuling.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader

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

Tomcat 打破双亲委派机制
以 Tomcat 类加载为例，Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行？

我们思考一下：Tomcat 是个 web 容器， 那么它要解决什么问题：

1. 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库的不同版本，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独立的，保证相互隔离。

2. 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。

3. web 容器也有自己依赖的类库，不能与应用程序的类库混淆。基于安全考虑，应该让容器的类库和程序的类库隔离开来。

4. 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。

再看看我们的问题：Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行？

答案是不行的。为什么？

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，默认的类加器是不管你是什么版本的，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，因为他的职责就是保证唯一性。

第三个问题和第一个问题一样。

我们再看第四个问题，我们想我们要怎么实现 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。那么怎么办呢？我们可以直接卸载掉这 jsp 文件的类加载器，所以你应该想到了，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

tomcat 的几个主要类加载器：

commonLoader：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；
catalinaLoader：Tomcat 容器私有的类加载器，加载路径中的 class 对于 Webapp 不

可见；
sharedLoader：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，加载路径中的 class 只对当前

Webapp 可见，比如加载 war 包里相关的类，每个 war 包应用都有自己的 WebappClassLoader，实现相互隔离，比如不同 war 包应用引入了不同的 spring 版本，这样实现就能加载各自的 spring 版本；

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 SharedClassLoader 使用，从而实现了公有类库的共用，而 CatalinaClassLoader 和 SharedClassLoader 自己能加载的类则与对方相互隔离。

WebAppClassLoader 可以使用 SharedClassLoader 加载到的类，但各个 WebAppClassLoader 实例之间相互隔离。

而 JasperLoader 的加载范围仅仅是这个 JSP 文件所编译出来的那一个.Class 文件，它出现的目的就是为了被丢弃：当 Web 容器检测到 JSP 文件被修改时，会替换掉目前的 JasperLoader 的实例，并通过再建立一个新的 Jsp 类加载器来实现 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了吗？答案是：违背了。

很显然，tomcat 不是这样实现，tomcat 为了实现隔离性，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。
模拟实现 Tomcat 的 webappClassLoader 加载自己 war 包应用内不同版本类实现相互共存与隔离
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 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();

 //非自定义的类还是走双亲委派加载
 if (!name.startsWith("com.tuling.jvm")){
 c = this.getParent().loadClass(name);
 }else{
 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);62 }
 return c;
 }
 }
 }

 public static void main(String args[]) throws Exception {
 MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
 Class clazz = classLoader.loadClass("com.tuling.jvm.User1");
 Object obj = clazz.newInstance();
 Method method= clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
 method.invoke(obj, null);
 System.out.println(clazz.getClassLoader());

 System.out.println();
 MyClassLoader classLoader1 = new MyClassLoader("D:/test1");
 Class clazz1 = classLoader1.loadClass("com.tuling.jvm.User1");
 Object obj1 = clazz1.newInstance();
 Method method1= clazz1.getDeclaredMethod("sout", null);
 method1.invoke(obj1, null);
 System.out.println(clazz1.getClassLoader());
 }
 }

 运行结果：
 =======自己的加载器加载类调用方法=======
 com.tuling.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader@266474c2

 =======另外一个User1版本：自己的加载器加载类调用方法=======
 com.tuling.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader@66d3c617

注意：同一个 JVM 内，两个相同包名和类名的类对象可以共存，因为他们的类加载器可以不一样，所以看两个类对象是否是同一个，除了看类的包名和类名是否都相同之外，还需要他们的类加载器也是同一个才能认为他们是同一个。
附下 User 类的代码：
public class User {

private int id;
private String name;
 public User() {
}

 public User(int id, String name) {
 super();
 this.id = id;
 this.name = name;
 }

 public int getId() {
 return id;
 }

 public void setId(int id) {
 this.id = id;
 }

 public String getName() {
 return name;
 }

 public void setName(String name) {
 this.name = name;
 }

 public void sout() {
 System.out.println("=======自己的加载器加载类调用方法=======");
 }
 }

其实总的来说打破双亲委派就是要么向上委派，要么不委派。
就离上次更新间隔 255 天，鬼知道我经历了什么。。