虚拟机类加载机制

虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。在Java语言里面，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行时期完成的，这种策略虽然会令类加载时稍微增加一些性能开销，但是会为Java应用程序提供高度的灵活性，Java可以动态扩展的特性就是依赖运行期动态加载和动态连接特性实现。

类加载的过程和时机

类的加载过程

类从被加载到虚拟机内存到卸载出内存，主要包含七个步骤如图：

其中，验证、准备、解析3个部分统称为连接，简单介绍下五个核心过程：

加载：通过ClassLoder加载class文件字节码，生成Class对象。获取二进制字节流，并将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据，在内存中生成Class对象。
验证：检查加载的class的正确性和安全性，主要分为文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。
准备：正式为类变量分配并设置类变量的初始值，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。
解析：解析是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。
初始化：执行类变量赋值和静态代码块。

类的加载时机

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段顺序是确定的。类的解析在某些情况下可以在初始化阶段之后，这是为了支持Java语言运行时绑定。什么情况下开始加载，Java虚拟机规范中并没有进行强制约束，这点交由虚拟机具体实现自由把握。但对于初始化阶段，虚拟机严格规定了五种情况必须立即进行类的初始化（加载、验证、准备需要在此之前）：

遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这4条字节码指令时，若类没有进行初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类初始化。
当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（即包含main()方法的类），虚拟机会先初始化这个类。
当使用JDK 1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果是REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

类加载器

类加载器首先用于类的加载阶段，同时对于任意一个类，判断其唯一性要根据加载它的类加载器和这个类本身一同确立。判断两个类是否相等，只有在这两个类由同一个类加载器加载才有意义，只要加载它们的类加载器不同，这两个类必定不相等。

类加载器的种类

从Java虚拟机来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器是用C++语言来实现的，是虚拟机的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些都是Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader。从Java开发人员来讲，则划分更细致，主要分为4种类加载器：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这个类加载器主要负责加载/lib或者被-Xbootclasspath参数指定的路径的类，并且是虚拟机识别的（按文件名识别，如Java核心库rt.jar，名字不符合的类库在lib目录中也不会被加载）
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个类加载器主要负责加载/lib/ext目录中的类库或者java.ext.dirs系统变量所指定路径中的所有类库。
应用程序类加载器（Application ClassLoader）：它负责加载用户路径（ClassPath）上所指定的类库，如果没有自定义类加载器，一般就使用它作为默认的类加载器。
自定义类加载器：用户可以自定义类加载器。

首先先简单介绍下如何自定义ClassLoader：

import java.io.*;

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    private String path;
    private String classLoaderName;

    public MyClassLoader(String path, String classLoaderName) {
        this.path = path;
        this.classLoaderName = classLoaderName;
    }

    //用于寻找类文件
    @Override
    public Class findClass(String name) {
        byte[] b = loadClassData(name);
        return defineClass(name, b, 0, b.length);
    }

    //用于加载类文件
    private byte[] loadClassData(String name) {
        name = path + name + ".class";
        InputStream in = null;
        ByteArrayOutputStream out = null;
        try {
            in = new FileInputStream(new File(name));
            out = new ByteArrayOutputStream();
            int i = 0;
            while ((i = in.read()) != -1) {
                out.write(i);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                out.close();
                in.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return out.toByteArray();
    }
}

首先继承ClassLoader类，然后覆写findClass方法，从指定目录中读取.class的二进制流，最后通过defineClass方法将二进制字节流定义为一个类并返回。

双亲委派机制

类加载器是互相配合进行加载的，有层次关系，这种层次关系称为类加载器的双亲委派模型，如图：

双亲委派模型中，除了顶层启动类之外，其余类加载器都有自己的父类加载器。这里的父子关系，是通过组合的方式来实现的。结合代码我们来分析双亲委派模型，实现双亲委派的代码都集中在ClassLoader的loadClass()方法之中，如下：

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) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // 父类加载器无法加载时
                    // 调用本身的findClass方法进行类加载
                    long t1 = System.nanoTime();
                    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;
        }
    }

假设我们从自定义的ClassLoader开始进行加载，

首先自定义的ClassLoader会先查找是否已经加载该类，已经加载则返回，没有则从调用父类的loadClass()方法。
同理其父类AppClassLoader也是先查找自己是否已加载该类，有则返回，没有则有委派给它的父类ExtensionClassLoader。
ExtensionClassLoader查找自己是否已加载该类，没有则委派给它的parent，因为它的parent为null，则去BootStrapClassLoader中去查找。
BootStrapClassLoader查找并加载，若还没有，则通过ExtensionClassLoader的findClass方法去加载类。
ExtensionClassLoader未能加载，则返回到AppClassLoader去尝试加载，若未能则继续到自定义的类加载器加载。
最后仍然不能加载则抛出ClassNotFoundException异常。

使用双亲委派机制来组织类加载器之间的关系，使得Java类随着类加载器一起具备了一种带有优先级的层级关系。这样对于高层类加载器加载的类库而言，则能够确保最终都是委派给高层的类加载器加载，这样也就能够确保各种类加载器环境中都是同一个类。

突破双亲委派机制

双亲模型固然有着优点，能够让整个系统保持了类的唯一性。但在有些场合，却不适合，也就是说，顶层的启动类加载器的代码无法访问到底层的类加载器。

如在 Java 平台中，把核心类（rt.jar)中提供外部服务，可由应用层自行实现的接口，通常可以称为 Service Provider Interface，即 SPI。在 rt.jar 中的抽象类需要加载继承他们的在应用层的子类实现，rt.jar 无法中代码无法访问到应用类加载器，所以目前的双亲机制是无法实现的。因此 JDK 引用了一个不太优雅的设计，上下文类加载器。也就是讲类加载放在线程上下文变量中。通过 Thread.getContextClassLoader()， Thread.setContextClassLoader(ClassLoader) 这两个方法获取和设置 ClassLoader，这样，rt.jar 中的代码就可以获取到底层的类加载了。

双亲模式是虚拟机的默认行为，但并非必须这么做，通过重载 ClassLoader 可以修改该行为。事实上，很多框架和软件都修改了，比如 Tomcat，OSGI。具体实现则是通过重写 loadClass 方法，改变类的加载次序。比如先使用自定义类加载器加载，如果加载不到，则交给双亲加载。