一文带你深扒 ClassLoader 内核，揭开它的神秘面纱
//?根据包路径，找到该?Class?的文件资源
Resource?res?=?ucp.getResource(path,?false);
if?(res?!=?null)?{
try?{
//?调用?defineClass?生成?java.lang.Class?对象
return?defineClass(name,?res);
}?catch?(IOException?e)?{
throw?new?ClassNotFoundException(name,?e);
}
}?else?{
return?null;
}
//?以下代码省略
}
Part 3. Java 类加载流程详解
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以下就是 ClassLoader 加载一个 class 文件到 JVM 时需要经过的步骤。
事实上，我们每一次在 IDEA 中点击运行时，IDE 都会默认替我们执行以下的命令：
javac Xxxx.java ?? 找到源文件中的 public class，再找 public class 引用的其他类，Java 编译器会根据每一个类生成一个字节码文件；
java Xxxx ?? 找到文件中的唯一主类 public class，并根据 public static 关键字找到跟主类关联可执行的 main 方法?（这也是为什么 main 方法需要被定义为 public static void 的原因了——我们需要在类没有加载时访问），开始执行。
在真正的运行 main 方法之前，JVM 需要?加载、链接?以及?初始化?上述的 Xxxx 类。
第一步：加载（Loading）
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这一步是读取到类文件产生的二进制流（findClass()），并转换为特定的数据结构（defineClass()），初步校验 cafe babe 魔法数?（二进制中前四个字节为 0xCAFEBABE 用来标识该文件是 Java 文件，这是很多软件的做法，比如 zip 压缩文件）、常量池、文件长度、是否有父类等，然后在 Java?堆?中创建对应类的 java.lang.Class 实例，类中存储的各部分信息也需要对应放入?运行时数据区?中（例如静态变量、类信息等放入方法区）。
“
以下是一个 Class 文件具有的基本结构的简单图示：
如果对 Class 文件更多细节感兴趣的可以进一步阅读：https://juejin.im/post/6844904199617003528
这里我们可能会有一个疑问，为什么 JVM 允许还没有进行验证、准备和解析的类信息放入方法区呢？
答案是加载阶段和链接阶段的部分动作（比如一部分字节码文件格式验证动作）是?交叉进行的，也就是说?加载阶段还没完成，链接阶段可能已经开始了。但这些夹杂在加载阶段的动作（验证文件格式等）仍然属于链接操作。
第二步：链接（Linking）
===================
Link 阶段包括验证、准备、解析三个步骤。下面我们来详细说说。
验证：确保被加载的类的正确性
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验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是?为了确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成 4 个阶段的检验动作：
文件格式验证：?验证字节流是否符合 Class 文件格式的规范；例如：是否以 0xCAFEBABE 开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
元数据验证：?对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比 javac 编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合 Java 语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了 java.lang.Object 之外。
字节码验证：?通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。
符号引用验证：?确保解析动作能正确执行。
验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用 -Xverifynone 参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。
准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值
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准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在?方法区?中分配。对于该阶段有以下几点需要注意：
1?? 这时候进行内存分配的?仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在 Java 堆中。
2?? 这里所设置的?初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如 0、0L、null、false 等），而不是被在 Java 代码中被显式地赋予的值。
3?? 如果类字段的字段属性表中存在 ConstantValue 属性，即?同时被 final 和 static 修饰，那么在准备阶段变量 value 就会被初始化为 ConstValue 属性所指定的值。
?? 例如，假设这里有一个类变量 public static int value = 666;，在准备阶段时初始值是 0 而不是 666，在?初始化阶段?才会被真正赋值为 666。
?? 假设是一个静态类变量 public static final int value = 666;，则在准备阶段 JVM 就已经赋值为 666 了。
解析：把类中的符号引用转换为直接引用（重要）
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解析阶段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。
???符号引用?的作用是在编译的过程中，JVM 并不知道引用的具体地址，所以用符号引用进行代替，而在解析阶段将会将这个符号引用转换为真正的内存地址。
???直接引用?可以理解为指向?类、变量、方法?的指针，指向?实例?的指针和一个?间接定位?到对象的对象句柄。
为了理解上面两种概念的区别，来看一个实际的例子吧：
public?class?Tester?{
public?static?void?main(String[]?args)?{
String?str?=?"关注【我没有三颗心脏】，关注更多精彩";
System.out.println(str);
}
}
我们先在该类同级目录下运行 javac Tester 编译成 .class 文件然后再利用 javap -verbose Tester 查看类的详细信息?（为了节省篇幅只截取了 main 方法反编译后的代码）：
//?上面是类的详细信息省略...
{
//?.....
public?static?void?main(java.lang.String[]);
descriptor:?([Ljava/lang/String;)V
flags:?(0x0009)?ACC_PUBLIC,?ACC_STATIC
Code:
stack=2,?locals=2,?args_size=1
0:?ldc???????????#7??????????????????//?String?关注【我没有三颗心脏】，关注更多精彩
2:?astore_1
3:?getstatic?????#9??????????????????//?Field?java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
6:?aload_1
7:?invokevirtual?#15?????????????????//?Method?java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
10:?return
LineNumberTable:
line?4:?0
line?5:?3
line?6:?10
}
SourceFile:?"Tester.java"
可以看到，上面定义的 str 变量在编译阶段会被解析称为?符号引用，符号引用的标志是 astore_<n>，这里就是 astore_1。
store_1 的含义是将操作数栈顶的 关注【我没有三颗心脏】，关注更多精彩保存回索引为 1 的局部变量表中，此时访问变量 str 就会读取局部变量表索引值为 1 中的数据。所以局部变量 str 就是一个符号引用。
再来看另外一个例子：
public?class?Tester?{
public?static?void?main(String[]?args)?{
System.out.println("关注【我没有三颗心脏】，关注更多精彩");
}
}
这一段代码反编译之后得到如下的代码：
//?上面是类的详细信息省略...
{
//?......
public?static?void?main(java.lang.String[]);
descriptor:?([Ljava/lang/String;)V
flags:?(0x0009)?ACC_PUBLIC,?ACC_STATIC
Code:
stack=2,?locals=1,?args_size=1
0:?getstatic?????#7??????????????????//?Field?java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3:?ldc???????????#13?????????????????//?String?关注【我没有三颗心脏】，关注更多精彩
5:?invokevirtual?#15?????????????????//?Method?java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8:?return
LineNumberTable:
line?4:?0
line?5:?8
}
SourceFile:?"Tester.java"
我们可以看到这里直接使用了 ldc 指令将 关注【我没有三颗心脏】，关注更多精彩推送到了栈，紧接着就是调用指令 invokevirtual，并没有将字符串存入局部变量表中，这里的字符串就是一个?直接引用。
第三步：初始化（Initialization）
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初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM 负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。在 Java 中对类变量进行初始值设定有两种方式：
1?? 声明类变量是指定初始值；
2?? 使用静态代码块为类变量指定初始值；
JVM 初始化步骤：
1?? 假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类
2?? 假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类
3?? 假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句
类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下几种：
创建类的实例，也就是 new 的方式
访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
调用类的静态方法
反射（如 Class.forName("com.wmyskxz.Tester")）
初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
Java 虚拟机启动时被标明为启动类的类，直接使用 java.exe 命令来运行某个主类
使用 JDK 7 新加入的动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHanlde 实例最后的解析结果为 REF_getstatic、REF_putstatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial 四种类型的方法句柄时，都需要先初始化该句柄对应的类
接口中定义了 JDK 8 新加入的默认方法（default 修饰符），实现类在初始化之前需要先初始化其接口
Part 4. 深入理解双亲委派模型
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我们在上面已经了解了一个类是如何被加载进 JVM 的——依靠类加载器——在 Java 语言中自带有三个类加载器：
Bootstrap ClassLoader?最顶层的加载类，主要加载?核心类库，%JRE_HOME%\lib 下的 rt.jar、resources.jar、charsets.jar 和 class 等。
Extention ClassLoader?扩展的类加载器，加载目录 %JRE_HOME%\lib\ext 目录下的 jar 包和 class 文件。
Appclass Loader 也称为 SystemAppClass?加载当前应用的 classpath 的所有类。
我们可以通过一个简单的例子来简单了解 Java 中这些自带的类加载器：
public?class?PrintClassLoader?{
public?static?void?main(String[]?args)?{
printClassLoaders();
}
public?static?void?printClassLoaders()?{
System.out.println("Classloader?of?this?class:"
+?PrintClassLoader.class.getClassLoader());
System.out.println("Classloader?of?Logging:"
+?com.sun.javafx.util.Logging.class.getClassLoader());
System.out.println("Classloader?of?ArrayList:"
+?java.util.ArrayList.class.getClassLoader());
}
}
上方程序打印输出如下：
Classloader?of?this?class:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
Classloader?of?Logging:sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@60e53b93
Classloader?of?ArrayList:null
如我们所见，这里分别对应三种不同类型的类加载器：AppClassLoader、ExtClassLoader 和 BootstrapClassLoader（显示为 null）。
一个很好的问题是：Java 类是由 java.lang.ClassLoader 实例加载的，但类加载器本身也是类，那么谁来加载类加载器呢？
我们假装不知道，先来跟着源码一步一步来看。
先来看看 Java 虚拟机入口代码
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在 JDK 源码 sun.misc.Launcher 中，蕴含了 Java 虚拟机的入口方法：
public?class?Launcher?{
private?static?Launcher?launcher?=?new?Launcher();
private?static?String?bootClassPath?=
System.getProperty("sun.boot.class.path");
public?static?Launcher?getLauncher()?{
return?launcher;
}
private?ClassLoader?loader;
public?Launcher()?{
//?Create?the?extens
ion?class?loader
ClassLoader?extcl;
try?{
extcl?=?ExtClassLoader.getExtClassLoader();
}?catch?(IOException?e)?{
throw?new?InternalError(
"Could?not?create?extension?class?loader",?e);
}
//?Now?create?the?class?loader?to?use?to?launch?the?application
try?{
loader?=?AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
}?catch?(IOException?e)?{
throw?new?InternalError(
"Could?not?create?application?class?loader",?e);
}
//?设置?AppClassLoader?为线程上下文类加载器，这个文章后面部分讲解
Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
}
/*
*?Returns?the?class?loader?used?to?launch?the?main?application.
*/
public?ClassLoader?getClassLoader()?{
return?loader;
}
/*
*?The?class?loader?used?for?loading?installed?extensions.
*/
static?class?ExtClassLoader?extends?URLClassLoader?{}
/**
*?The?class?loader?used?for?loading?from?java.class.path.
*?runs?in?a?restricted?security?context.
*/
static?class?AppClassLoader?extends?URLClassLoader?{}
}
源码有精简，但是我们可以得到以下信息：
1?? Launcher 初始化了 ExtClassLoader 和 AppClassLoader。
2?? Launcher 没有看到 Bootstrap ClassLoader 的影子，但是有一个叫做 bootClassPath 的变量，大胆一猜就是 Bootstrap ClassLoader 加载的 jar 包的路径。
(ps: 可以自己尝试输出一下 System.getProperty("sun.boot.class.path") 的内容，它正好对应了 JDK 目录 lib 和 classes 目录下的 jar 包——也就是通常你配置环境变量时设置的 %JAVA_HOME/lib 的目录了——同样的方式你也可以看看 Ext 和 App 的源码)
3?? ExtClassLoader 和 AppClassLoader 都继承自 URLClassLoader，进一步查看 ClassLoader 的继承树，传说中的双亲委派模型也并没有出现。（甚至看不到 Bootstrap ClassLoader 的影子，Ext 也没有直接继承自 App 类加载器）
ClassLoader 继承树
（??注意，这里可以明确看到每一个 ClassLoader 都有一个 parent 变量，用于标识自己的父类，下面详细说）
4?? 注意以下代码：
ClassLoader?extcl;
extcl?=?ExtClassLoader.getExtClassLoader();
loader?=?AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
分别跟踪查看到这两个 ClassLoader 初始化时的代码：
//?一直追踪到最顶层的?ClassLoader?定义，构造器的第二个参数标识了类加载器的父类
private?ClassLoader(Void?unused,?ClassLoader?parent)?{
this.parent?=?parent;
//?代码省略.....
}
//?Ext?设置自己的父类为?null
public?ExtClassLoader(File[]?var1)?throws?IOException?{
super(getExtURLs(var1),?(ClassLoader)null,?Launcher.factory);
SharedSecrets.getJavaNetAccess().getURLClassPath(this).initLookupCache(this);
}
//?手动把?Ext?设置为?App?的?parent（这里的?var2?是传进来的?extc1）
AppClassLoader(URL[]?var1,?ClassLoader?var2)?{
super(var1,?var2,?Launcher.factory);
this.ucp.initLookupCache(this);
}
由此，我们得到了这样一个类加载器的关系图：
类加载器的父类都来自哪里？
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奇怪，为什么 ExtClassLoader 的 parent 明明是 null，我们却一般地认为 Bootstrap ClassLoader 才是 ExtClassLoader 的父加载器呢？
答案的一部分就藏在 java.lang.ClassLoader.loadClass() 方法里面：（这也就是著名的「双亲委派模型」现场了）
protected?Class<?>?loadClass(String?name,?boolean?resolve)
throws?ClassNotFoundException
{
synchronized?(getClassLoadingLock(name))?{
//?首先检查是否已经加载过了
Class<?>?c?=?findLoadedClass(name);
if?(c?==?null)?{
long?t0?=?System.nanoTime();
try?{
if?(parent?!=?null)?{
//?父加载器不为空则调用父加载器的?loadClass?方法
c?=?parent.loadClass(name,?false);
}?else?{
//?父加载器为空则调用?Bootstrap?ClassLoader
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();
//?父加载器没有找到，则调用?findclass
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)?{
//?调用?resolveClass()
resolveClass(c);
}
return?c;
}
}
代码逻辑很好地解释了双亲委派的原理。
1?? 当前 ClassLoader 首先从?自己已经加载的类中查询是否此类已经加载，如果已经加载则直接返回原来已经加载的类。(每个类加载器都有自己的加载缓存，当一个类被加载了以后就会放入缓存，等下次加载的时候就可以直接返回了。)
2?? 当前 ClassLoader 的缓存中没有找到被加载的类的时候，委托父类加载器去加载，父类加载器采用同样的策略，首先查看自己的缓存，然后委托父类的父类去加载，一直到 Bootstrap ClassLoader。（当所有的父类加载器都没有加载的时候，再由当前的类加载器加载，并将其放入它自己的缓存中，以便下次有加载请求的时候直接返回。）
所以，答案的另一部分是因为最高一层的类加载器 Bootstrap 是通过 C/C++ 实现的，并不存在于 JVM 体系内?（不是一个 Java 类，没办法直接表示为 ExtClassLoader 的父加载器），所以输出为 null。
（我们可以很轻易跟踪到 findBootstrapClass() 方法被 native 修饰：private native Class<?> findBootstrapClass(String name);）
?? OK，我们理解了为什么 ExtClassLoader 的父加载器为什么是表示为 null 的 Bootstrap 加载器，那我们?自己实现的 ClassLoader 父加载器应该是谁呢？
观察一下 ClassLoader 的源码就知道了：
protected?ClassLoader(ClassLoader?parent)?{
this(checkCreateClassLoader(),?parent);
}
protected?ClassLoader()?{
this(checkCreateClassLoader(),?getSystemClassLoader());
}
类加载器的 parent 的赋值是在 ClassLoader 对象的构造方法中，它有两个情况：
1?? 由外部类创建 ClassLoader 是直接指定一个 ClassLoader 为 parent；
2?? 由 getSystemClassLoader() 方法生成，也就是在 sun.misc.Laucher 通过 getClassLoader() 获取，也就是 AppClassLoader。直白的说，一个 ClassLoader 创建时如果没有指定 parent，那么它的 parent 默认就是 AppClassLoader。（建议去看一下源码）
为什么这样设计呢？
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简单来说，主要是为了?安全性，避免用户自己编写的类动态替换 Java 的一些核心类，比如 String，同时也?避免了重复加载，因为 JVM 中区分不同类，不仅仅是根据类名，相同的 class 文件被不同的 ClassLoader 加载就是不同的两个类，如果相互转型的话会抛 java.lang.ClassCaseException。
如果我们要实现自己的类加载器，不管你是直接实现抽象类 ClassLoader，还是继承 URLClassLoader 类，或者其他子类，它的父加载器都是 AppClassLoader。
因为不管调用哪个父类构造器，创建的对象都必须最终调用 getSystemClassLoader() 作为父加载器?（我们已经从上面的源码中看到了）。而该方法最终获取到的正是 AppClassLoader_（别称 SystemClassLoader）_。
这也就是我们熟知的最终的双亲委派模型了。
Part 5. 实现自己的类加载器
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什么情况下需要自定义类加载器
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在学习了类加载器的实现机制之后，我们知道了双亲委派模型并非强制模型，用户可以自定义类加载器，在什么情况下需要自定义类加载器呢？
1???隔离加载类。在某些框架内进行中间件与应用的模块隔离，把类加载器到不同的环境。比如，阿里内某容器框架通过自定义类加载器确保应用中依赖的 jar 包不会影响到中间件运行时使用的 jar 包。
2???修改类加载方式。类的加载模型并非强制，除了 Bootstrap 外，其他的加载并非一定要引入，或者根据实际情况在某个时间点进行按需的动态加载。
3???扩展加载源。比如从数据库、网络，甚至是电视机顶盒进行加载。（下面我们会编写一个从网络加载类的例子）
4???防止源码泄露。Java 代码容易被编译和篡改，可以进行编译加密。那么类加载器也需要自定义，还原加密的字节码。
一个常规的例子
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实现一个自定义的类加载器比较简单：继承 ClassLoader，重写 findClass() 方法，调用 defineClass() 方法，就差不多行了。
Tester.java
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我们先来编写一个测试用的类文件：
public?class?Tester?{
public?void?say()?{
System.out.println("关注【我没有三颗心脏】，解锁更多精彩！");
}
}
在同级目录下执行 javac Tester.java 命令，并把编译后的 Tester.class 放到指定的目录下（我这边为了方便就放在桌面上啦 /Users/wmyskxz/Desktop）
还未添加个人签名 2021.03.18 加入
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