java类加载机制和类加载器

什么是类加载机制

编译器将java源码编译为字节码后，虚拟机将字节码读入内存进行解析、运行的过程，称之为java虚拟机的类加载机制。
类加载机制中，使用类加载器完成类的加载过程。
类的生命周期在上文中详细描述过，这里不赘述。详见Java类加载过程详解

什么是类加载器？

通过一个类全限定名称来获取其二进制文件（.class）流的工具，被称为类加载器（classloader）

类加载器的分类

java支持如下四种类加载器

启动类/引导类加载器 Bootstrap ClassLoader
由C/C++实现，嵌套在JVM内部，java程序无法直接操作此类。通过它来加载java核心类库。如JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar、sun.boot.class.path路径下的包，为jvm运行提供所需要的包。
它并非继承自java.lang.ClassLoader，没有父类加载器。它负责加载扩展类加载器和应用程序类加载器，并成为其父类加载器。
处于安全考虑，启动类只加载包名为java|javax|sun开头的类。
扩展类加载器 Extension ClassLoader
由java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，可以用java程序操作此类加载器。
它继承自java.lang.ClassLoader，父类加载器为启动类加载器。
从系统属性：java.ext.dirs目录中加载类库，
从JDK安装目录：jre/lib/ext目录下加载类库。
将包放在上述目录下，就会自动被加载。
应用程序类加载器 Application Classloader
由Java语言编写，由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。
它继承自java.lang.ClassLoader，父类加载器为启动类加载器
它负责加载环境变量classpath或者系统属性java.class.path指定路径下的类库
它是程序中默认的类加载器，我们Java程序中的类，都是由它加载完成的。可以通过ClassLoader#getSystemClassLoader()获取并操作这个加载器。
自定义加载器

上述三种类加载器无法满足开发需求时，用户可以自定义类加载器
自定义类加载器，需要继承抽象类java.lang.ClassLoader，如果期望打破双亲委派机制，则重写loadClass方法；如果不想打破双亲委派机制，则重写findClass方法即可。

ClassLoader源码

ClassLoader的源码如下：

public abstract class ClassLoader {

    private static native void registerNatives();
    static {
        registerNatives();
    }

    // The parent class loader for delegation
    // Note: VM hardcoded the offset of this field, thus all new fields
    // must be added *after* it.
    private final ClassLoader parent;

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
    
    // ...

    protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        // First, check if the class has already been loaded
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            try {
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    c = findBootstrapClass0(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.
                c = findClass(name);
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

通过如下方式可以验证上述所说的类加载器的加载路径：

1
2
3

System.out.println("boot:" + System.getProperty("sun.boot.class.path"));
System.out.println("ext:" + System.getProperty("java.ext.dirs"));
System.out.println("app:" + System.getProperty("java.class.path"));

如何自定义类加载器

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class ConsumerClassLoaderDemo extends ClassLoader {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ClassLoader myClassLoader = new ConsumerClassLoader();
        Object obj = myClassLoader.loadClass("com.lbs0912.java.demo.ConsumerClassLoaderDemo").newInstance();
        ClassLoader classLoader = obj.getClass().getClassLoader();
        // BootStrapClassLoader在Java中不存在的，因此会是null
        while (null != classLoader) {
            System.out.println(classLoader);
            classLoader = classLoader.getParent();
        }
    }
}

class ConsumerClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            String classFile = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
            InputStream in = getClass().getResourceAsStream(classFile);
            if (null == in) {
                return super.loadClass(name);
            }
            byte[] bytes = new byte[in.available()];
            in.read(bytes);
            return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException(name);
        }
    }
}

控制台输出如下：

com.lbs0912.java.demo.ConsumerClassLoader@266474c2
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@63947c6b

java9 类加载机制的改动

java 9中有如下三种类加载器：

启动类加载器：
平台类加载器：
应用类加载器：

如何获取类加载器

ClassLoader是抽象类，除启动类加载器外，其余类加载器均继承自ClassLoader。

// 方式一：获取当前类的 ClassLoader
clazz.getClassLoader()
// 方式二：获取当前线程上下文的 ClassLoader
Thread.currentThread().getContextClassLoader()
// 方式三：获取系统的 ClassLoader
ClassLoader.getSystemClassLoader()
// 方式四：获取调用者的 ClassLoader
DriverManager.getCallerClassLoader()

类加载机制的特点

类加载机制通过ClassLoader完成类的加载，java类的确定由类和加载它的类加载器共同决定。它有如下三个特点：

双亲委派：
将请求交给父类处理的任务委派方式
负责依赖：
如果一个类加载器在加载某个类时，发现此类依赖其他几个类或接口，也会去尝试加载这些依赖项
缓存加载：
为提升加载效率，一旦某个类被类加载器加载，会缓存这个加载结果。【类加载到方法区和即时编译存放的异同？】

疑问

反向委派的过程只能使用线程上下文类加载器么？
为什么启动类加载器无法加载SPI的实现类？

引用

1. jvm类加载器，类加载机制详解，看这一篇就够了
 2. 沙箱机制
 3. 双亲委派机制
 4. 如何打破双亲委派
 5. 详解tomcat打破双亲委派