[@倚贤][¥20]Java类加载器及如何加载类

运行jvm字符码的工作是由解释器来完成的。解释执行过程分三步进行：代码的装入、代码的校验、和代码的执行。
装入代码的工作由“类装载器classloader”完成。类装载器负责装入运行一个程序需要的所有代码，这也包括程序代码中的类所继承的类和被调
用的类。当类装载器装入一个类时，该类被放在自己的名字空间中。除了通过符号引用自己名字空间以外的类，类之间没有其他办法可以影响其他类。在本台计算机的所有类都在同一地址空间中，而所有从外部引进的类，都有一个自己独立的名字空间。这使得本地类通过共享相同的名字空间获得较高的运行效率，同时又保证它们与从外部引进的类不会相互影响。
当装入了运行程序需要的所有类后，解释器便可确定整个可执行程序的内存布局。解释器为符号引用与特定的地址空间建立对应关系及查询表。通过在这一阶段确定代码的内布局，java很好地解决了由超类改变而使子类崩溃的问题，同时也防止了代码的非法访问。
随后，被装入的代码由字节码校验器进行检查。校验器可以发现操作数栈益处、非法数据类型转化等多种错误。通过校验后，代码便开始执行了。
java字节码的执行有两种方式：
1）即时编译方式：解释器先将字节编译成机器码，然后再执行该机器码。(解释执行 + (热点代码->本地代码))
2）解释执行方式：解释器通过每次解释并执行一小段代码来完成java字节码程序的所有操作。

Java类加载器的作用就是在运行时加载类。Java类加载器基于三个机制：委托、可见性和单一性。委托机制是指将加载一个类的请求交给父类加载器，如果这个父类加载器不能够找到或者加载这个类，那么再加载它。可见性的原理是子类的加载器可以看见所有的父类加载器加载的类，而父类加载器看不到子类加载器加载的类。单一性原理是指仅加载一个类一次，这是由委托机制确保子类加载器不会再次加载父类加载器加载过的类。正确理解类加载器能够帮你解决NoClassDefFoundError和java.lang.ClassNotFoundException，因为它们和类的加载相关。类加载器通常也是比较高级的Java面试中的重要考题，Java类加载器和工作原理以及classpath如何运作的经常被问到。Java面试题中也经常出现“一个类是否能被两个不同类加载器加载”这样的问题。这篇教程中，我们将学到类加载器是什么，它的工作原理以及一些关于类加载器的知识点。

什么是类加载器
类加载器是一个用来加载类文件的类。Java源代码通过javac编译器编译成类文件。然后JVM来执行类文件中的字节码来执行程序。类加载器负责加载文件系统、网络或其他来源的类文件。有三种默认使用的类加载器：Bootstrap类加载器、Extension类加载器和System类加载器（或者叫作Application类加载器）。每种类加载器都有设定好从哪里加载类。

Bootstrap类加载器负责加载rt.jar中的JDK类文件，它是所有类加载器的父加载器。Bootstrap类加载器没有任何父类加载器，如果你调用String.class.getClassLoader()，会返回null，任何基于此的代码会抛出NUllPointerException异常。Bootstrap加载器被称为初始类加载器。
而Extension将加载类的请求先委托给它的父加载器，也就是Bootstrap，如果没有成功加载的话，再从jre/lib/ext目录下或者java.ext.dirs系统属性定义的目录下加载类。Extension加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。
第三种默认的加载器就是System类加载器（又叫作Application类加载器）了。它负责从classpath环境变量中加载某些应用相关的类，classpath环境变量通常由-classpath或-cp命令行选项来定义，或者是JAR中的Manifest的classpath属性。Application类加载器是Extension类加载器的子加载器。通过sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。
除了Bootstrap类加载器是大部分由C来写的，其他的类加载器都是通过java.lang.ClassLoader来实现的。

总结一下，下面是三种类加载器加载类文件的地方：

1) Bootstrap类加载器 – JRE/lib/rt.jar

2) Extension类加载器 – JRE/lib/ext或者java.ext.dirs指向的目录

3) Application类加载器 – CLASSPATH环境变量, 由-classpath或-cp选项定义,或者是JAR中的Manifest的classpath属性定义.

类加载器的工作原理
我之前已经提到过了，类加载器的工作原理基于三个机制：委托、可见性和单一性。这一节，我们来详细看看这些规则，并用一个实例来理解工作原理。下面显示的是类加载器使用委托机制的工作原理。

委托机制
当一个类加载和初始化的时候，类仅在有需要加载的时候被加载。假设你有一个应用需要的类叫作Abc.class，首先加载这个类的请求由Application类加载器委托给它的父类加载器Extension类加载器，然后再委托给Bootstrap类加载器。Bootstrap类加载器会先看看rt.jar中有没有这个类，因为并没有这个类，所以这个请求由回到Extension类加载器，它会查看jre/lib/ext目录下有没有这个类，如果这个类被Extension类加载器找到了，那么它将被加载，而Application类加载器不会加载这个类；而如果这个类没有被Extension类加载器找到，那么再由Application类加载器从classpath中寻找。记住classpath定义的是类文件的加载目录，而PATH是定义的是可执行程序如javac，java等的执行路径。

可见性机制
根据可见性机制，子类加载器可以看到父类加载器加载的类，而反之则不行。所以下面的例子中，当Abc.class已经被Application类加载器加载过了，然后如果想要使用Extension类加载器加载这个类，将会抛出java.lang.ClassNotFoundException异常。

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package test;

import java.util.logging.Level;
import java.util.logging.Logger;

/**
 * Java program to demonstrate How ClassLoader works in Java,
 * in particular about visibility principle of ClassLoader.
 *
 * @author Javin Paul
 */

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String args[]) {
        try {          
            //printing ClassLoader of this class
            System.out.println("ClassLoaderTest.getClass().getClassLoader() : "
                                 + ClassLoaderTest.class.getClassLoader());

            //trying to explicitly load this class again using Extension class loader
            Class.forName("test.ClassLoaderTest", true
                            ,  ClassLoaderTest.class.getClassLoader().getParent());
        } catch (ClassNotFoundException ex) {
            Logger.getLogger(ClassLoaderTest.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);
        }
    }

}

输出:

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ClassLoaderTest.getClass().getClassLoader() : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@601bb1
16/08/2012 2:43:48 AM test.ClassLoaderTest main
SEVERE: null
java.lang.ClassNotFoundException: test.ClassLoaderTest

    at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:202)
    at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
    at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:190)
    at sun.misc.Launcher$ExtClassLoader.findClass(Launcher.java:229)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:306)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:247)
    at java.lang.Class.forName0(Native Method)
    at java.lang.Class.forName(Class.java:247)
    at test.ClassLoaderTest.main(ClassLoaderTest.java:29)

单一性机制
根据这个机制，父加载器加载过的类不能被子加载器加载第二次。虽然重写违反委托和单一性机制的类加载器是可能的，但这样做并不可取。你写自己的类加载器的时候应该严格遵守这三条机制。

如何显式的加载类
Java提供了显式加载类的API：Class.forName(classname)和Class.forName(classname, initialized, classloader)。就像上面的例子中，你可以指定类加载器的名称以及要加载的类的名称。类的加载是通过调用java.lang.ClassLoader的loadClass()方法，而loadClass()方法则调用了findClass()方法来定位相应类的字节码。在这个例子中Extension类加载器使用了java.net.URLClassLoader，它从JAR和目录中进行查找类文件，所有以”/”结尾的查找路径被认为是目录。如果findClass()没有找到那么它会抛出java.lang.ClassNotFoundException异常，而如果找到的话则会调用defineClass()将字节码转化成类实例，然后返回。

什么地方使用类加载器
类加载器是个很强大的概念，很多地方被运用。最经典的例子就是AppletClassLoader，它被用来加载Applet使用的类，而Applets大部分是在网上使用，而非本地的操作系统使用。使用不同的类加载器，你可以从不同的源地址加载同一个类，它们被视为不同的类。J2EE使用多个类加载器加载不同地方的类，例如WAR文件由Web-app类加载器加载，而EJB-JAR中的类由另外的类加载器加载。有些服务器也支持热部署，这也由类加载器实现。你也可以使用类加载器来加载数据库或者其他持久层的数据。

1. 加载：类加载过程的一个阶段：通过一个类的完全限定查找此类字节码文件，并利用字节码文件创建一个Class对象
2. 验证：目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，不会危害虚拟机自身安全。主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。
3. 准备：为类变量(即static修饰的字段变量)分配内存并且设置该类变量的初始值即0(如static int i=5;这里只将i初始化为0，至于5的值将在初始化时赋值)，这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配了，注意这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。
4. 解析：主要将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量，而直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。有类或接口的解析，字段解析，类方法解析，接口方法解析(这里涉及到字节码变量的引用，如需更详细了解，可参考《深入Java虚拟机》)。
5. 初始化：类加载最后阶段，若该类具有超类，则对其进行初始化，执行静态初始化器和静态初始化成员变量(如前面只初始化了默认值的static变量将会在这个阶段赋值，成员变量也将被初始化)。

这便是类加载的5个过程，而类加载器的任务是根据一个类的全限定名来读取此类的二进制字节流到JVM中，然后转换为一个与目标类对应的java.lang.Class对象实例，在虚拟机提供了3种类加载器，引导（Bootstrap）类加载器、扩展（Extension）类加载器、系统（System）类加载器（也称应用类加载器）

JAVA类装载方式，有两种:
1.隐式装载， 程序在运行过程中当碰到通过new 等方式生成对象时，隐式调用类装载器加载对应的类到jvm中。 2.显式装载， 通过class.forname()等方法，显式加载需要的类
类加载的动态性体现:
一个应用程序总是由n多个类组成，Java程序启动时，并不是一次把所有的类全部加载后再运行，它总是先把保证程序运行的基础类一次性加载到jvm中，其它类等到jvm用到的时候再加载，这样的好处是节省了内存的开销，因为java最早就是为嵌入式系统而设计的，内存宝贵，这是一种可以理解的机制，而用到时再加载这也是java动态性的一种体现