jvm类加载机制

类加载运行全过程
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。

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，下节课会讲到动态链接
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。

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
类包
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：

9 ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
10 ClassLoader extClassloader = appClassLoader.getParent();
11 ClassLoader bootstrapLoader = extClassloader.getParent();
12 System.out.println("the bootstrapLoader : " + bootstrapLoader);
13 System.out.println("the extClassloader : " + extClassloader);
14 System.out.println("the appClassLoader : " + appClassLoader);
15
16 System.out.println();
17 System.out.println("bootstrapLoader加载以下文件：");
18 URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
19 for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
20 System.out.println(urls[i]);
21 }
22
23 System.out.println();
24 System.out.println("extClassloader加载以下文件：");
25 System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
26
27 System.out.println();
28 System.out.println("appClassLoader加载以下文件：");
29 System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
30
31 }
32 }
33
34 运行结果：
35 null
36 sun.misc.LauncherAppClassLoader
38
39 the bootstrapLoader : null
40 the extClassloader : sun.misc.LauncherAppClassLoader@14dad5dc
42
43 bootstrapLoader加载以下文件：
44 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/resources.jar
45 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/rt.jar
46 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/sunrsasign.jar
47 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jsse.jar
48 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jce.jar
49 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/charsets.jar
50 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jfr.jar
51 file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/classes

52
53 extClassloader加载以下文件：
54 D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
55
56 appClassLoader加载以下文件：
57 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. 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\bianwu.m2\repository\org\apache\zookeeper\zookeepe r\3.4.12\zookeeper‐3.4.12.jar;C:\Users\bianwu.m2\repository\org\slf4j\slf4j‐ api\1.7.25\slf4j‐api‐1.7.25.jar;C:\Users\bianwu.m2\repository\org\slf4j\slf4j‐lo g4j12\1.7.25\slf4j‐log4j12‐ 1.7.25.jar;C:\Users\bianwu.m2\repository\log4j\log4j\1.2.17\log4j‐ 1.2.17.jar;C:\Users\bianwu.m2\repository\jline\jline\0.9.94\jline‐ 0.9.94.jar;C:\Users\bianwu.m2\repository\org\apache\yetus\audience‐ annotations\0.5.0\audience‐annotations‐0.5.0.jar;C:\Users\bianwu.m2\repository\i o\netty\netty\3.10.6.Final\netty‐3.10.6.Final.jar;C:\Users\bianwu.m2\repository
\com\google\guava\guava\22.0\guava‐22.0.jar;C:\Users\bianwu.m2\repository\com\go ogle\code\findbugs\jsr305\1.3.9\jsr305‐1.3.9.jar;C:\Users\bianwu.m2\repository\c om\google\errorprone\error_prone_annotations\2.0.18\error_prone_annotations‐2.0. 18.jar;C:\Users\bianwu.m2\repository\com\google\j2objc\j2objc‐annotations\1.1\j2 objc‐annotations‐1.1.jar;C:\Users\bianwu.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
58

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。

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。
   1 //ClassLoader的loadClass方法，里面实现了双亲委派机制
   2 protected Class loadClass(String name, boolean resolve) 3 throws ClassNotFoundException 4 { 5 synchronized (getClassLoadingLock(name)) { 6 // 检查当前类加载器是否已经加载了该类 7 Class c = findLoadedClass(name);
   8 if (c == null) {
   9 long t0 = System.nanoTime();
   10 try {
   11 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
   12 c = parent.loadClass(name, false);
   13 } 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
   14 c = findBootstrapClassOrNull(name);
   15 }
   16 } catch (ClassNotFoundException e) {
   17 // ClassNotFoundException thrown if class not found
   18 // from the non‐null parent class loader
   19 }
   20

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

看一个类加载示例：

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。
1 public class MyClassLoaderTest {
2 static class MyClassLoader extends ClassLoader {
3 private String classPath;
4
5 public MyClassLoader(String classPath) {
6 this.classPath = classPath;
7 }
8
9 private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
10 name = name.replaceAll("\.", "/");
11 FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name
12 + ".class");
13 int len = fis.available();
14 byte[] data = new byte[len];
15 fis.read(data);
16 fis.close();
17 return data;
18 }
19
20 protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
21 try {
22 byte[] data = loadByte(name);
23 //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数组。
24 return defineClass(name, data, 0, data.length);
25 } catch (Exception e) {
26 e.printStackTrace();
27 throw new ClassNotFoundException();
28 }
29 }
30
31 }
32

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

23 byte[] data = loadByte(name);
24 return defineClass(name, data, 0, data.length);
25 } catch (Exception e) {
26 e.printStackTrace();
27 throw new ClassNotFoundException();
28 }
29 }
30
31 /**
32 * 重写类加载方法，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载
33 * @param name
34 * @param resolve
35 * @return
36 * @throws ClassNotFoundException
37 */
38 protected Class loadClass(String name, boolean resolve) 39 throws ClassNotFoundException { 40 synchronized (getClassLoadingLock(name)) { 41 // First, check if the class has already been loaded 42 Class c = findLoadedClass(name);
43
44 if (c == null) {
45 // If still not found, then invoke findClass in order
46 // to find the class.
47 long t1 = System.nanoTime();
48 c = findClass(name);
49
50 // this is the defining class loader; record the stats
51 sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
52 sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
53 }
54 if (resolve) {
55 resolveClass(c);
56 }
57 return c;
58 }
59 }
60 }
61
62 public static void main(String args[]) throws Exception {
63 MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
64 //尝试用自己改写类加载机制去加载自己写的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。

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

20
21 protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 22 try { 23 byte[] data = loadByte(name); 24 return defineClass(name, data, 0, data.length); 25 } catch (Exception e) { 26 e.printStackTrace(); 27 throw new ClassNotFoundException(); 28 } 29 } 30 31 /** 32 * 重写类加载方法，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载 33 * @param name 34 * @param resolve 35 * @return 36 * @throws ClassNotFoundException 37 */ 38 protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
39 throws ClassNotFoundException {
40 synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
41 // First, check if the class has already been loaded
42 Class<?> c = findLoadedClass(name);
43
44 if (c == null) {
45 // If still not found, then invoke findClass in order
46 // to find the class.
47 long t1 = System.nanoTime();
48
49 //非自定义的类还是走双亲委派加载
50 if (!name.startsWith("com.bianwu.jvm")){
51 c = this.getParent().loadClass(name);
52 }else{
53 c = findClass(name);
54 }
55
56 // this is the defining class loader; record the stats
57 sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
58 sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
59 }
60 if (resolve) {
61 resolveClass(c);

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：