【深入理解java虚拟机】 - 类加载器与双亲委派模型

前言

Java虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的“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“”。

类加载器用于实现类的加载动作，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。

在比较两个类是否“相等”时，如果两个类来源于同一个 Class文件且被同一个Java虚拟机加载，但只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。因此，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。

类加载器的分类

从来看，只存在两种不同的类加载器：

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；
其他所有类加载器：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。

但从我们的角度来看，可以把类加载器细化如下：

启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：即上面所述的类加载器。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。，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。
扩展类加载器（Extension Class Loader）：这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 中以Java代码的形式实现的。它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。这是一种Java系统类库的扩展机制，JDK的开发团队允许用户将具有通用性的类库放置在ext目录里以扩展Java SE的功能，在JDK 9之后，这种扩展机制被模块化带来的天然的扩展能力所取代。由于扩扩展类加载器是由Java代码实现的，
应用程序类加载器（Application Class Loader）：这个类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystem- ClassLoader()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。
用户自定义类加载器（User Class Loader）

双亲委派模型

Java虚拟机对class文件采用的是按需加载的方式，也就是说当需要使用该类时才会将它的class文件加载到内存生成class对象。而且加载某个类的class文件时，Java虚拟机采用的就是双亲委派模型。

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。

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的关系来实现的，而是通常使用组合关系来复用父加载器的代码。

双亲委派模型源码

双亲委派模型实现位于java.lang.ClassLoader中的loadClass(java.lang.String, boolean)方法中，具体如下：

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
            throws ClassNotFoundException {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        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();
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }
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可以解释如下：

沙箱安全机制

沙箱安全机制就是将java代码限定在虚拟机特定的运行范围中，并且严格限制代码对本地系统资源的访问，通过这样的措施来保证对代码的有效隔离，防止对系统造成破坏。

例如：

我们自定义一个String类，但是在加载自定义String类的时候会率先使用引导类加载器加载，而引导类加载器在加载的过程中会先加载jdk自带的文件(rt.jar包中java\lang \string.class)。这样可以保证对java核心源代码的保护，这就是沙箱安全机制。

自定义类加载器

在Java的日常应用程序开发中，类的加载几乎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。

为什么要自定义类加载器

自定义类加载器可以实现以下功能：

隔离加载类
修改类加载的方式
扩展加载源
防止源码泄漏

实现方式

通过继承抽象类java.lang.classLoader类的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求。
在JDK1.2之前，在自定义类加载器时，总会去继承classLoader类并重写loadclass ()方法，从而实现自定义的类加载类，但是在JDK1.2之后已不再建议用户去覆盖loadclass()方法，而是建议把自定义的类加载逻辑写在findclass ()方法中。
在编写自定义类加载器时，如果没有太过于复杂的需求可以直接继承URLClassLoader类，这样就可以避免自己去编写findclass ()方法及其获取字节码流的方式，使自定义类加载器编写更加简洁。

类的主动使用和被动使用

类的主动使用和被动使用区别在于是否会导致类的初始化，导致类的初始化为类的主动适用，不导致类的初始化为类的被动使用。

主动使用有以下7中情况：

创建类的实例
访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
调用类的静态方法
反射（比如: Class.forName ( “com.atguigu . Test” ) )初始化一个类的子类
Java虚拟机启动时被标明为启动类的类
JDK 7开始提供的动态语言支持:
java . lang . invoke.MethodHandle实例的解析结果REF getstatic、REF_putstatic、REF_invokestatic句柄对应的类没有初始化，则初始化

除以上7种情况外都是被动使用。