一类加载运行全过程

看下边的程序

package com.maltose.jvm;public class Math {public static final int initData = 666;public static User user = new User();//一个方法对应一块栈帧内存区域public int compute() {  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();}
}

从运行一个类里的main方法，到JVM开始创建，再到底层加载类以及最终运行的过程，最后到JVM销毁，流程如下

其中java.exe、jvm.dll都是C/C++写的(jvm.dll是C/C++写的库函数，相当于java里的jar包);
也就是说java虚拟机启动的相关的程序(如上图里的java.exe)，都是C/C++实现的;

上图中比较重要的是红框框起来的部分（loadClass），即类加载到JVM里的过程；

其中loadClass的类加载过程如下(最终需要加载到jvm虚拟机内存区域里)：

加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载

加载
class文件最开始是在硬盘上的，然后在硬盘上查找并通过IO读入字节码文件，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(使用到类时才会加载，例如调用类的main()方法，new对象等等)
验证
校验字节码文件(.class)的正确性（如下图，如果在字节码文件里随便乱写，是不符合java虚拟机规范的，验证就不会通过）
准备
给类的静态变量分配内存，并赋予默认值（默认值是JVM规定的，与程序里写的值没关系，如bollean默认值是false，对象类型默认为null，int类型默认0…最后加载完后，才把程序里写的值赋值上去；如果是final修饰的常量，则直接赋值为程序里写的值，没有默认值这么一说）
解析
将符号引用替换为直接引用(内存地址引用)，该阶段会把一些静态方法(符号引用，比如main方法、返回值、方法修饰符、方法名等等都叫符号引用)替换为指向数据所存内存的指针或句柄等(即代码在内存的位置：直接引用)，这就是静态链接过程(类加载期间完成)，而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；
解释静态链接与动态链接：
如上边的静态main方法，加载完后在内存里的地址基本不会再变了，为了性能，在加载时就把main转变为内存里的地址，就是静态链接；但是math.compute()方法，在运行时可能会变，因为可能是多态，或者是接口，会有不同的实现，所以在加载时是不知道具体的实现的，到运行时才能知道具体实现，这种在运行时才确定代码在内存里的位置的情况成为动态链接；
初始化
对类的静态变量初始化为指定的值(之前是默认值，现在初始化为代码里指定的值)，执行静态代码块

打开Math.class文件如下：

javap指令：

javap -v Math.class查看字节码文件（下边列出来的是JVM的汇编指令）

上边的文件与之前Math.class文件都是对应的，只不过上边这个可读性比较强，下面来理解一下这个文件

其中常量池里有很多值：

其中，compute()方法也在常量池里，对应的常量池位置如下

math.compute()方法不是在类加载的时候去调用的，即不会在加载时转换为内存地址，而是当代码运行到这一行的时候才去内存里找对应所在的内存的位置，这个过程叫动态链接

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。

代码如下

public class TestDynamicLoad {static {System.out.println("*************load TestDynamicLoad************");}public static void main(String[] args) {new A();System.out.println("*************load test************");//B不会加载，除非这里执行 new B()B b = null;  }
}class A {static {System.out.println("*************load A************");}public A() {System.out.println("*************initial A************");}
}class B {static {System.out.println("*************load B************");}public B() {System.out.println("*************initial B************");}
}

运行结果

由结果可知：

先执行主类的静态代码块，再执行主类里main方法；
当new A()的时候，先执行A类里的静态代码块（静态代码块在类加载的时候就执行了），再执行构造方法；
由于B只是定义了，并没有new，没有用B，所以不会加载B类；

二类加载器

类加载器其实就是一个类，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：由C++实现的（不需要我们关注），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文件夹下的扩展目录中的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

首先，引导类加载器是C++实现的，不需要考虑；C++通过Launcher类，在初始化Launcher类的过程中，把扩展类加载器与应用程序类加载器构造出来，并且把扩展类加载器与应用程序类加载器二者的关系构造好，即应用程序类加载器的父类是扩展类加载器

看一个类加载器示例：

System.out.println(String.class.getClassLoader());
System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader());
System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader());

结果

C++在创建好引导类加载器之后，C++会调用JAVA里面的sun.misc.Launcher（初始化Launcher类），这个Launcher是JVM里类加载器的启动器，初始化这个类之后再去加载其他类；在初始化Launcher过程中，会把其他类加载器全部生成出来；

为什么String.class.getClassLoader()输出的是null？

因为它不是java对象，而是C++生成的对象，在java里获取不到，所以是null ；

所有的类加载器都继承自ClassLoader.java，每个类加载器都有parent属性，这个parent属性就是一个ClassLoader

其他类加载器：

package main.java.com.example.demoo.test;import sun.misc.Launcher;
import java.net.URL;
public class TestJDKClassLoader {public static void main(String[] args) {System.out.println(String.class.getClassLoader());System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader());System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader());System.out.println("11111111111111111111111");ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();ClassLoader extClassloader = appClassLoader.getParent();ClassLoader bootstrapLoader = extClassloader.getParent();System.out.println("the bootstrapLoader : " + bootstrapLoader);System.out.println("the extClassloader : " + extClassloader);System.out.println("the appClassLoader : " + appClassLoader);System.out.println("22222222222222222222222");System.out.println("bootstrapLoader加载以下文件：");URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();for (int i = 0; i < urls.length; i++) {System.out.println(urls[i]);}System.out.println("333333333333333333333333");System.out.println("extClassloader加载以下文件：");System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));System.out.println("444444444444444444444444");System.out.println("appClassLoader加载以下文件：");System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));}
}

结果

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。
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的实例去加载我们的应用程序。

//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nullvar1 = 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 var9) {throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);}Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);String var2 = System.getProperty("java.security.manager");。。。 。。。 //省略一些不需关注代码
}

三双亲委派机制

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。

注意：上边提到的是"父加载器"，并不是父类；

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。。

问题：为什么不在一开始就从顶层的引导类加载器开始加载呢？

对于我们开发的web项目，95%的代码都是在底层的“应用程序类加载器”里加载，程序第一次启动的时候，确实需要走很长的路去加载，但是加载完一次以后，之后只需要从“应用程序类加载器”直接取就行；如果每次开始都是从顶层的“引导类加载器”取，则第一次加载完后，之后每次还是需要从底层向上直到到达顶层才能找到；

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：

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。

//ClassLoader的loadClass方法，里面实现了双亲委派机制
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 statssun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}}if (resolve) {  //不会执行resolveClass(c);}return c;}
}

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（自己定义一个String类）：

//注意：这里的包名与jdk自带的String类所在的包名完全一样
package java.lang;public class String {public static void main(String[] args) {System.out.println("**************My String Class**************");}
}

运行结果：

错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:public static void main(String[] args)
否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application

当加载器去加载java.lang.String.class的时候，加载的加载器依次是应用程序类加载器->扩展类加载器->引导类加载器，当到达引导类加载器的时候，引导类加载器在jdk的lib包下找到了java.lang.String.class（和我们自己定义的String不是同一个），而jdk自带的String类是没有main方法的，所以报错内容为找不到main方法；

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（该类里new的其他类）也由这个ClassLoder载入。

自定义类加载器示例（自己写一个类加载器）：

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。

package main.java.com.example.demoo.test;import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;public class MyClassLoaderTest {static class MyClassLoader extends ClassLoader {private String classPath;public MyClassLoader(String classPath) {this.classPath = classPath;}private byte[] loadByte(String name) throws Exception {name = name.replaceAll("\\.", "/");//从磁盘上，把类文件读到字节数组里FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name+ ".class");int len = fis.available();byte[] data = new byte[len];fis.read(data);fis.close();return data;}/**** @param name 传过来的类名* @return* @throws ClassNotFoundException*/protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {try {//类文件的二进制数组byte[] data = loadByte(name);//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。return defineClass(name, data, 0, data.length);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();throw new ClassNotFoundException();}}}public static void main(String args[]) throws Exception {//初始化自定义类加载器，会先初始化父类ClassLoader，其中会把自定义类加载器的父加载器设置为应用程序类加载器AppClassLoaderMyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");//D盘创建 test/com/tuling/jvm 几级目录，将User类的复制类User1.class丢入该目录Class clazz = classLoader.loadClass("com.tuling.jvm.User1");Object obj = clazz.newInstance();Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);method.invoke(obj, null);//打印的类加载器是System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());}
}

结果

=======自己的加载器加载类调用方法=======
com.tuling.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader

打破双亲委派机制

比如加载一个类User.class，当自定义的加载器里有的话，就不去上边的加载器里找了，直接把自定义加载器里的User.class拿出来使用，这就是打破了双亲委派机制；（如果是双亲委派机制的话，会从父加载器里以此找User.class）

打破双亲委派机制的原理：
ClassLoader类里的loadClass方法已经实现了双亲委派机制，我们只需要重写这个方法即可；

重写后，先把实现双亲委派机制的代码删掉：

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

import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;public class MyClassLoaderTest {static class MyClassLoader extends ClassLoader {private String classPath;public MyClassLoader(String classPath) {this.classPath = classPath;}private byte[] loadByte(String name) throws Exception {name = name.replaceAll("\\.", "/");FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name+ ".class");int len = fis.available();byte[] data = new byte[len];fis.read(data);fis.close();return data;}protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {try {byte[] data = loadByte(name);return defineClass(name, data, 0, data.length);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();throw new ClassNotFoundException();}}/*** 重写类加载方法，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载** @param name* @param resolve* @return* @throws ClassNotFoundException*/protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException {synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// First, check if the class has already been loadedClass<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {// If still not found, then invoke findClass in order// to find the class.long t1 = System.nanoTime();c = findClass(name);// this is the defining class loader; record the statssun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}}}public static void main(String args[]) throws Exception {MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");//尝试用自己改写类加载机制去加载自己写的java.lang.String.classClass clazz = classLoader.loadClass("java.lang.String");Object obj = clazz.newInstance();Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);method.invoke(obj, null);System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());}
}

结果

java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.langat java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:659)at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:758)

解决报错

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。

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

public class MyClassLoaderTest {static class MyClassLoader extends ClassLoader {private String classPath;public MyClassLoader(String classPath) {this.classPath = classPath;}private byte[] loadByte(String name) throws Exception {name = name.replaceAll("\\.", "/");FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name+ ".class");int len = fis.available();byte[] data = new byte[len];fis.read(data);fis.close();return data;}protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {try {byte[] data = loadByte(name);return defineClass(name, data, 0, data.length);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();throw new ClassNotFoundException();}}/*** 重写类加载方法，实现自己的加载逻辑，不委派给双亲加载* @param name* @param resolve* @return* @throws ClassNotFoundException*/protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException {synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// First, check if the class has already been loadedClass<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {// If still not found, then invoke findClass in order// to find the class.long t1 = System.nanoTime();//非自定义的类还是走双亲委派加载if (!name.startsWith("com.tuling.jvm")){c = this.getParent().loadClass(name);}else{c = findClass(name);}// this is the defining class loader; record the statssun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}}}public static void main(String args[]) throws Exception {MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");Class clazz = classLoader.loadClass("com.tuling.jvm.User1");Object obj = clazz.newInstance();Method method= clazz.getDeclaredMethod("sout", null);method.invoke(obj, null);System.out.println(clazz.getClassLoader());System.out.println();MyClassLoader classLoader1 = new MyClassLoader("D:/test1");Class clazz1 = classLoader1.loadClass("com.tuling.jvm.User1");Object obj1 = clazz1.newInstance();Method method1= clazz1.getDeclaredMethod("sout", null);method1.invoke(obj1, null);System.out.println(clazz1.getClassLoader());}
}

运行结果：

=======自己的加载器加载类调用方法=======
com.tuling.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader@266474c2=======另外一个User1版本：自己的加载器加载类调用方法=======
com.tuling.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader@66d3c617

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。

模拟实现Tomcat的JasperLoader热加载
原理：后台启动线程监听jsp文件变化，如果变化了找到该jsp对应的servlet类的加载器引用(gcroot)，重新生成新的JasperLoader加载器赋值给引用，然后加载新的jsp对应的servlet类，之前的那个加载器因为没有gcroot引用了，下一次gc的时候会被销毁。

Hotspot源码JVM启动执行main方法流程

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