Java虚拟机(JVM)（5）—— 类加载器

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前言

类加载器（ClassLoader）是Java虚拟机提供给应用程序去实现获取类和接口字节码数据的技术，类加载器只参与加载过程中的字节码获取并加载到内存这一部分。

类加载器会通过二进制流的方式获取到字节码文件的内容，接下来将获取到的数据交给Java虚拟机，虚拟机会在方法区和堆上生成对应的对象保存字节码信息。

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一、类加载器的分类

• Bootstrap ClassLoader(启动类加载器)：最顶层的加载类，由 C++实现，通常表示为 null，并且没有父级，主要用来加载 JDK 内部的核心类库（ /jre/lib目录下的 rt.jar、resources.jar、tools.jar等 jar 包和类）以及被 -Xbootclasspath参数指定的路径下的所有类。

• Extension ClassLoader(扩展类加载器)：主要负责加载Java安装目录/jre/lib/ext下的类文件和类以及被 -Djava.ext.dirs 系统变量所指定的路径下的所有类。

• Application ClassLoader(应用程序类加载器)：应用程序类加载器会加载classpath下的类文件，默认加载的是项目中的类以及通过maven引入的第三方jar包中的类。

• User ClassLoader(自定义类加载器)：所有用户自定义类加载器通常需要继承于抽象类java.lang.ClassLoader，主要用于打破双亲委派机制以及实现类的隔离。

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二、双亲委派机制

1、定义
如果一个类加载器在接到加载类的请求时，它首先不会自己尝试去加载这个类，而是把这个请求任务委托给父类加载器去完成，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回。只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。如果还没找到就会抛出异常ClassNotFoundException。

在类加载的过程中，每个类加载器都会先检查是否已经加载了该类，如果已经加载则直接返回，否则会将加载请求委派给父类加载器。

总结一句就是：向上查找，如果找到就返回，向下加载，如果加载成功就返回。

2、作用

1. 保证类加载的安全性。通过双亲委派机制避免恶意代码替换JDK中的核心类库，比如java.lang.String，确保核心类库的完整性和安全性。

2. 避免重复加载。Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关系可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。

3、如何指定加载类的类加载器？

方式1：使用Class.forName方法，使用当前类的类加载器去加载指定的类。

方式2：获取到类加载器，通过类加载器的loadClass方法指定某个类加载器加载。

		// 获取到类加载器，通过类加载器的loadClass方法指定某个类加载器加载。
        ClassLoader classLoader = Demo4.class.getClassLoader();
        Class<?> loadClass = classLoader.loadClass("com.java.jvm.Demo");

        // 使用Class.forName方法，使用当前类的类加载器去加载指定的类。
        Class<?> aClass = Class.forName("com.java.jvm.Demo");

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三、打破双亲委派机制

1、双亲委派机制原理

想要打破双亲委派机制，首先得先了解双亲委派机制是如何实现的，我们来看下原码：

public Class<?> loadClass(String name)
类加载的入口，提供了双亲委派机制。内部会调用findClass   重要

protected Class<?> findClass(String name)
由类加载器子类实现,获取二进制数据调用defineClass ，比如URLClassLoader会根据文件路径去获取类文件中的二进制数据。重要

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
做一些类名的校验，然后调用虚拟机底层的方法将字节码信息加载到虚拟机内存中

protected final void resolveClass(Class<?> c)
执行类生命周期中的连接阶段

1、入口方法：

采用类加载器.loadclass方法默认不会执行连接和初始化。而使用Class.forName（）会执行连接和初始化。

2、再进入看下：

如果查找都失败，进入加载阶段，首先会由启动类加载器加载，这段代码在findBootstrapClassOrNull中。如果失败会抛出异常，接下来执行下面这段代码：

3、最后根据传入的参数判断是否进入连接阶段：

2、自定义类加载器

上述原理我们可以看出在加载类的时候，是在loadClass()方法里面上父类进行委托，所以我们只需要重loadClass()实现自己加载即可。

package com.java.jvm;

import org.apache.commons.io.IOUtils;
import java.io.FileInputStream;

public class MyClassLoader extends ClassLoader{

    //使用commons io 从指定目录下加载文件
    private byte[] readClassBytes(String name)  {
        try {
            String rootPath = this.getClass().getResource("/").getPath();
            String tempName = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(rootPath + tempName + ".class");
            try {
                return IOUtils.toByteArray(fis);
            } finally {
                IOUtils.closeQuietly(fis);
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("自定义类加载器加载失败，错误原因：" + e.getMessage());
            return null;
        }
    }

    @Override
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        //如果是java包下，还是走双亲委派机制 //每个类默认有Object父类，只能由启动类加载器加载
        if(name.startsWith("java.")){
            return super.loadClass(name);
        }
        //从磁盘中指定目录下加载
        byte[] data = readClassBytes(name);
        //调用虚拟机底层方法，方法区和堆区创建对象
        return defineClass(name, data, 0, data.length);
    }
    
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        MyClassLoader myClassLoader1 = new MyClassLoader();
        Class<?> aClass1 = myClassLoader1.loadClass("com.java.jvm.Demo1");
        System.out.println(aClass1.getClassLoader());
    }
}

我们来看下效果：

此外，两个自定义类加载器加载相同限定名的类，也是不会冲突的，在同一个Java虚拟机中，只有相同类加载器+相同的类限定名才会被认为是同一个类。

public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
    MyClassLoader myClassLoader1 = new MyClassLoader();
    Class<?> aClass1 = myClassLoader1.loadClass("com.java.jvm.Demo1");
    System.out.println(aClass1.getClassLoader());

    MyClassLoader myClassLoader2 = new MyClassLoader();
    Class<?> aClass2 = myClassLoader2.loadClass("com.java.jvm.Demo1");
    System.out.println(aClass2.getClassLoader());
}