虚拟机类加载机制

类加载的过程

初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，前几个类的加载动作里，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。

进行准备阶段时，变量已经赋过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。 我们也可以从另外一种更直接的形式来表达：初始化阶段就是执行类构造器<clinit>()方法的过程。<clinit>()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物，但非常有必要了解这个方法具体是如何产生的，以及<clinit>()方法执行过程中各种可能会影响程序运行行为的细节，这部分比起其他类加载过程更贴近于程序开发人员的实际工作。

• <clinit>()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问，如非法前向引用变量代码示例所示：

public class Test {
	static {
		i = 0; // 给变量复制可以正常编译通过
		System.out.print(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用”
	}
	static int i = 1;
}

• <clinit>()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器<init>()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类型肯定是java.lang.Object。
• 由于父类的<clinit>()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作，如代码示例所示，字段B的值将会是2而不是1。

static class Parent {
	public static int A = 1;
	static {
		A = 2;
	}
}

static class Sub extends Parent {
	public static int B = A;
}

public static void main(String[] args) {
	System.out.println(Sub.B);
}

• <clinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法。
• 接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成<clinit>()方法。但接口与类不同的是，执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()方法，因为只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。此外，接口的实现类在初始化时也 一样不会执行接口的<clinit>()方法。
• Java虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有其中一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行完毕<clinit>()方法。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。下面的代码示例演示了这种场景：

static class DeadLoopClass {
	static {
		// 如果不加上这个if语句，编译器将提示“Initializer does not complete normally”并拒绝编译
		if (true) {
			System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
			while (true) {
			}
		}
	}
}

public static void main(String[] args) {
	Runnable script = new Runnable() {
		public void run() {
			System.out.println(Thread.currentThread() + "start");
			DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();
			System.out.println(Thread.currentThread() + " run over");
		}
	};
	
	Thread thread1 = new Thread(script);
	Thread thread2 = new Thread(script);
	thread1.start();
	thread2.start();
}

运行结果如下，一条线程在死循环以模拟长时间操作，另外一条线程在阻塞等待：

Thread[Thread-0,5,main]start
Thread[Thread-1,5,main]start
Thread[Thread-0,5,main]init DeadLoopClass

类加载器

Java虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。实现这个动作的代码被称为“类加载器”（Class Loader）。

类与类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远超类加载阶段。对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。即：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个Java虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。 这里所指的“相等”，包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括了使用instanceof关键字做对象所属关系判定等各种情况。如果没有注意到类加载器的影响，在某些情况下可能会产生具有迷惑性的结果，下面代码示例中演示了不同的类加载器对instanceof关键字运算的结果的影响：

/**
* 类加载器与instanceof关键字演示
*
* @author zh
*/
public class ClassLoaderTest {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
		@Override
		public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
			try {
				String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1)+".class";
				InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
				if (is == null) {
					return super.loadClass(name);
				}
				byte[] b = new byte[is.available()];
				is.read(b);
				return defineClass(name, b, 0, b.length);
			} catch (IOException e) {
				throw new ClassNotFoundException(name);
			}
	}
};
		Object obj = myLoader.loadClass("org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest").newInstance();
		System.out.println(obj.getClass());
		System.out.println(obj instanceof org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest);
	}
}

运行结果：

class org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest
false

上述代码中构造了一个简单的类加载器，它可以加载与自己在同一路径下的Class文件，使用这个类加载器去加载了一个名为“org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest”的类，并实例化了这个类的对象。

两行输出结果中，从第一行可以看到这个对象确实是类org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest实例化出来的，但在第二行的输出中却发现这个对象与类org.fenixsoft.classloading.ClassLoaderTest做所属类型检查的时候返回了false。这是因为Java虚拟机中同时存在了两个ClassLoaderTest类，一个是由虚拟机的应用程序类加载器所加载的，另外一个是由我们自定义的类加载器加载的，虽然它们都来自同一个Class文件，但在Java虚拟机中仍然是两个互相独立的类，做对象所属类型检查时的结果自然为false。

双亲委派模型

站在Java虚拟机的角度来看，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；另外一种就是其他所有的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立存在于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

站在Java开发人员的角度来看，类加载器应当划分得更细致一些。自JDK 1.2以来，Java一直保持着三层类加载器、双亲委派的类加载架构，尽管这套架构在Java模块化系统出现后有了一些调整变动，但依然未改变其主体结构。

本节内容将针对JDK 8及之前版本的Java来介绍什么是三层类加载器，以及什么是双亲委派模型。对于这个时期的Java应用，绝大多数Java程序都会使用到以下3个系统提供的类加载器来进行加载。

• 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：前面已经介绍过，这个类加载器负责加载存放在
  <JAVA_HOME>\lib目录，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的，而且是Java虚拟机能够识别的（按照文件名识别，如rt.jar、tools.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机的内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器去处理，那直接使用null代替即可，下面示例代码展示的就是java.lang.ClassLoader.getClassLoader()方法的代码片段，其中的注释和代码实现都明确地说明了以null值来代表引导类加载器的约定规则。

/**
Returns the class loader for the class. Some implementations may use null to represent the bootstrap class loader. This method will return null in such implementations if this class was loaded by the bootstrap class loader.
*/
public ClassLoader getClassLoader() {
	ClassLoader cl = getClassLoader0();
		if (cl == null)
		return null;
	SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
		if (sm != null) {
			ClassLoader ccl = ClassLoader.getCallerClassLoader();
			if (ccl != null && ccl != cl && !cl.isAncestor(ccl)) {
				sm.checkPermission(SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);
			}
	}
	return cl;
}

• 扩展类加载器（Extension Class Loader）：这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader中以Java代码的形式实现的。它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。根据“扩展类加载器”这个名称，就可以推断出这是一种Java系统类库的扩展机制，JDK的开发团队允许用户将具有通用性的类库放置在ext目录里以扩展Java SE的功能，在JDK 9之后，这种扩展机制被模块化带来的天然的扩展能力所取代。由于扩展类加载器是由Java代码实现的，开发者可以直接在程序中使用扩展类加载器来加载Class文件。
• 应用程序类加载器（Application Class Loader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以有些场合中也称它为“系统类加载器”。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所有的类库，开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。
  
  JDK 9之前的Java应用都是由这三种类加载器互相配合来完成加载的，如果用户认为有必要，还可以加入自定义的类加载器来进行拓展，典型的如增加除了磁盘位置之外的Class文件来源，或者通过类
  加载器实现类的隔离、重载等功能。这些类加载器之间的协作关系“通常”会如上图所示。

上图中展示的各种类加载器之间的层次关系被称为类加载器的“双亲委派模型（Parents Delegation Model）”。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应有自己的父类加载器。不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承（Inheritance）的关系来实现的，而是通常使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。

类加载器的双亲委派模型在JDK 1.2时期被引入，并被广泛应用于此后几乎所有的Java程序中，但它并不是一个具有强制性约束力的模型，而是Java设计者们推荐给开发者的一种类加载器实现的最佳实践。

双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载。

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，一个显而易见的好处就是Java中的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。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类程序的各种类加载器环境中都能够保证是同一个类。反之，如果没有使用双亲委派模型，都由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己也编写了一个名为java.lang.Object的类，并放在程序的ClassPath中，那系统中就会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无从保证，应用程序将会变得一片混乱。可以尝试去写一个与rt.jar类库中已有类重名的Java类，将会发现它可以正常编译，但永远无法被加载运行。

双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作极为重要，但它的实现却异常简单，用以实现双亲委派的代码只有短短十余行，全部集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中，如下面的代码示例所示：

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
{
	// 首先，检查请求的类是否已经被加载过了
	Class c = findLoadedClass(name);
	if (c == null) {
	try {
	if (parent != null) {
		c = parent.loadClass(name, false);
	} else {
		c = findBootstrapClassOrNull(name);
	}
	} catch (ClassNotFoundException e) {
		// 如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
		// 说明父类加载器无法完成加载请求
	}
		if (c == null) {
			// 在父类加载器无法加载时
			// 再调用本身的findClass方法来进行类加载
			c = findClass(name);
		}
	}
	if (resolve) {
		resolveClass(c);
	}
	return c;
}

这段代码的逻辑：先检查请求加载的类型是否已经被加载过，若没有则调用父加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。假如父类加载器加载失败，抛出ClassNotFoundException异常的话，才调用自己的findClass()方法尝试进行加载。