类加载过程整体分析
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
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：
从上图我们可以看出发起调用的地方是操作系统底层帮我们实现的，引导类加载器也不是由java编写的。
在真正加载我们要运行的类之前要做很多准备工作，这其中很多地方都不是java语言所能处理的，因此不必做过多的探究。
那么类加载在加载类的过程中发生了哪些事情呢？大概可以分为以下七个阶段：
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
PS: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。
那么类是在 JVM 启动时就全部加载了吗？
答案是否定的，事实上，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。请看下面例子
public class TestDynamicLoad {
static {
System . out . println ( "*************加载主启动类************" );
}
public static void main ( String [] args ) {
new A ();
System . out . println ( "*******加载测试********" );
B b = null ; //B不会加载，除非这里执行new B();
}
}
class A {
static {
System . out . println ( "*******加载A类********" );
}
public A () {
System . out . println ( "*******初始化A类********" );
}
}
class B {
static {
System . out . println ( "*******加载B类********" );
}
public B () {
System . out . println ( "*******初始化B类********" );
}
}
运行结果：
*************加载主启动类************
*******加载A类********
*******初始化A类********
*******加载测试********
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：
Bootstrp loader Bootstrp加载器是用C++语言写的，它是在 Java虚拟机 启动后初始化的，它主要负责加载 %JAVA_HOME%/jre/lib , -Xbootclasspath 参数指定的路径以及 %JAVA_HOME%/jre/classes 中的类。
ExtClassLoader Bootstrp loader加载ExtClassLoader,并且将ExtClassLoader的父加载器设置为Bootstrp loader.ExtClassLoader是用Java写的，具体来说就是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader，ExtClassLoader主要加载 %JAVA_HOME%/jre/lib/ext ，此路径下的所有classes目录以及 java.ext.dirs 系统变量指定的路径中类库。
AppClassLoader Bootstrp loader加载完ExtClassLoader后，就会加载AppClassLoader,并且将AppClassLoader的父加载器指定为 ExtClassLoader。AppClassLoader也是用Java写成的，它的实现类是 sun.misc.Launcher$AppClassLoader，另外我们知道ClassLoader中有个 getSystemClassLoader 方法,此方法返回的正是AppclassLoader.AppClassLoader主要负责加载classpath所指定的位置的类或者是jar文档，它也是Java程序默认的类加载器。
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。
jdk 源代码如下：
//Launcher的构造方法
public Launcher() {
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己写的应用程序
this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
} catch (IOException var 9) {
throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
}
Thread.currentThread().setContext Class Loader(this.loader);
双亲委派机制
前面说了，java中有三个类加载器，问题就来了，碰到一个类需要加载时，它们之间是如何协调工作的，即java是如何区分一个类该由哪个类加载器来完成呢。 在这里java采用了 委托模型机制 ，这个机制简单来讲，就是“ 类装载器有载入类的需求时，会先请示其Parent使用其搜索路径帮忙载入，如果Parent 找不到,那么才由自己依照自己的搜索路径搜索类 ”
下面举一个例子来说明，为了更好的理解，先弄清楚几行代码：
Public class Test{
Public static void main(String[] arg){
ClassLoader c = Test.class.getClassLoader(); //获取Test类的类加载器
System.out.println(c);
ClassLoader c1 = c.getParent(); //获取c这个类加载器的父类加载器
System.out.println(c1);
ClassLoader c2 = c1.getParent();//获取c1这个类加载器的父类加载器
System.out.println(c2);
}
}
结果：
……AppClassLoader……
……ExtClassLoader……
Null
可以看出Test是由 AppClassLoader 加载器加载的， AppClassLoader 的 Parent 加载器是 ExtClassLoader ,但是 ExtClassLoader 的 Parent 为 null 是怎么回事呵，朋友们留意的话，前面有提到 Bootstrap Loader 是用C++语言写的，依java的观点来看，逻辑上并不存在 Bootstrap Loader 的类实体，所以在 java 程序代码里试图打印出其内容时，我们就会看到输出为 null 。
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。
源代码如下：
ClassLoader.java
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 stats
sun . misc . PerfCounter . getParentDelegationTime (). addTime ( t1 - t0 );
sun . misc . PerfCounter . getFindClassTime (). addElapsedTimeFrom ( t1 );
sun . misc . PerfCounter . getFindClasses (). increment ();
}
}
if ( resolve ) {
resolveClass ( c );
}
return c ;
}
}
URLClassLoader.java
protected Class <?> findClass ( final String name )
throws ClassNotFoundException
{
final Class <?> result ;
try {
result = AccessController . doPrivileged (
new PrivilegedExceptionAction < Class <?>> () {
public Class <?> run () throws ClassNotFoundException {
//匹配被加载类的路径和当前类加载器的加载路径，看能否匹配到
String path = name . replace ( '.' , '/' ). concat ( ".class" );
Resource res = ucp . getResource ( path , false );
if ( res != null ) {
try {
//如果能匹配到，就进行真正的类加载，
//就会执行前面说的类加载的几个阶段
return defineClass ( name , res );
} catch ( IOException e ) {
throw new ClassNotFoundException ( name , e );
}
} else {
return null ;
}
}
}, acc );
} catch ( java . security . PrivilegedActionException pae ) {
throw ( ClassNotFoundException ) pae . getException ();
}
if ( result == null ) {
throw new ClassNotFoundException ( name );
}
return result ;
}
分析源代码可知：双亲委派功能是在ClassLoader类的loadClass中方法实现的（所以想要打破双亲委派机制，重写loadClass方法即可），真正的类加载是在URLClassLoader的findClass方法实现的。
那么为什么要设计双亲委派机制？
主要有以下2点原因：
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
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：
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。
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 。基于安全考虑，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。
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自定义加载器详解
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。
关于类加载机制就分析到这里了，原创不易，觉得写得不错的话就点点赞关注关注呗，我的微信公众号：java时光
