ClassLoader工作机制

一、ClassLoader概念

　　ClassLoader是用来动态的加载class文件到虚拟机中，并转换成java.lang.class类的一个实例，每个这样的实例用来表示一个java类，我们可以根据Class的实例得到该类的信息，并通过实例的newInstance()方法创建出该类的一个对象，除此之外，ClassLoader还负责加载Java应用所需的资源，如图像文件和配置文件等。

　　ClassLoader类是一个抽象类。如果给定类的二进制名称，那么类加载器会试图查找或生成构成类定义的数据。一般策略是将名称转换为某个文件名，然后从文件系统读取该名称的“类文件”。ClassLoader类使用委托模型来搜索类和资源。每个 ClassLoader实例都有一个相关的父类加载器。需要查找类或资源时，ClassLoader实例会在试图亲自查找类或资源之前，将搜索类或资源的任务委托给其父类加载器。  

　　注意：程序在启动的时候，并不会一次性加载程序所要用的所有class文件，而是根据程序的需要，通过Java的类加载机制来动态加载某个class文件到内存中。

二、JVM平台提供三层classLoader

1. Bootstrap classLoader：采用native code实现，是JVM的一部分，主要加载JVM自身工作需要的类，如java.lang.*、java.uti.*等； 这些类位于$JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar。Bootstrap ClassLoader不继承自ClassLoader，因为它不是一个普通的Java类，底层由C++编写，已嵌入到了JVM内核当中，当JVM启动后，Bootstrap ClassLoader也随着启动，负责加载完核心类库后，并构造Extension ClassLoader和App ClassLoader类加载器。
2. ExtClassLoader：扩展的class loader，加载位于$JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下的扩展jar。
3. AppClassLoader:系统class loader，父类是ExtClassLoader，加载$CLASSPATH下的目录和jar；它负责加载应用程序主函数类。

　　其体系结构图如下：

　　

　　如果要实现自己的类加载器，不管是实现抽象列ClassLoader，还是继承URLClassLoader类，它的父加载器都是AppClassLoader，因为不管调用哪个父类加载器，创建的对象都必须最终调用getSystemClassLoader()作为父加载器，getSystemClassLoader()方法获取到的正是AppClassLoader。

　　注意：Bootstrap classLoader并不属于JVM的等级层次，它不遵守ClassLoader的加载规则，Bootstrap classLoader并没有子类。

三、JVM加载class文件到内存有两种方式

1. 隐式加载：不通过在代码里调用ClassLoader来加载需要的类，而是通过JVM来自动加载需要的类到内存，例如：当类中继承或者引用某个类时，JVM在解析当前这个类不在内存中时，就会自动将这些类加载到内存中。
2. 显示加载：在代码中通过ClassLoader类来加载一个类，例如调用this.getClass.getClassLoader().loadClass()或者Class.forName()。

四、ClassLoader加载类的过程

1. 找到.class文件并把这个文件加载到内存中
2. 字节码验证，Class类数据结构分析，内存分配和符号表的链接
3. 类中静态属性和初始化赋值以及静态代码块的执行

 五、自定义类加载器

　　1、为何要自定义类加载器？

　　JVM提供的类加载器，只能加载指定目录的jar和class，如果我们想加载其他位置的类或jar时，例如加载网络上的一个class文件，默认的ClassLoader就不能满足我们的需求了，所以需要定义自己的类加载器。

　　2、如何实现自定义的类加载器？

　　我们实现一个ClassLoader，并指定这个ClassLoader的加载路径。有两种方式：

　　方式一：继承ClassLoader，重写父类的findClass()方法，代码如下：

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
public class PathClassLoader extends ClassLoader
{
    public static final String drive = "d:/";
    public static final String fileType = ".class";

    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        PathClassLoader loader = new PathClassLoader();
        Class<?> objClass = loader.loadClass("HelloWorld", true);
        Object obj = objClass.newInstance();
        System.out.println(objClass.getName());
        System.out.println(objClass.getClassLoader());
        System.out.println(obj.getClass().toString());
    }

    public Class<?> findClass(String name)
    {
        byte[] data = loadClassData(name);
        return defineClass(name, data, 0, data.length);// 将一个 byte 数组转换为 Class// 类的实例
    }
    public byte[] loadClassData(String name)
    {
        FileInputStream fis = null;
        byte[] data = null;
        try
        {
            fis = new FileInputStream(new File(drive + name + fileType));
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int ch = 0;
            while ((ch = fis.read()) != -1)
            {
                baos.write(ch);
            }
            data = baos.toByteArray();
        } catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        return data;
    }
}

　　在第13行，我们调用了父类的loadClass()方法，该方法使用指定的二进制名称来加载类，下面是loadClass方法的源代码：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name))
        {
            // 第一步先检查这个类是否已经被加载
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null)
            {
                long t0 = System.nanoTime();
                try
                {
                    //parent为父加载器
                    if (parent != null)
                    {
                        //将搜索类或资源的任务委托给其父类加载器
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else
                    {
                        //检查该class是否被BootstrapClassLoader加载
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } 
                catch (ClassNotFoundException e)
                {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }
                if (c == null)
                {
                    //如果上述两步均没有找到加载的class，则调用findClass()方法
                    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;
        }
    }

　　这个方法首先检查指定class是否已经被加载，如果已被加载过，则调用resolveClass()方法链接指定的类,如果还未加载，则先将搜索类或资源的任务委托给其父类加载器，检查该class是否被BootstrapClassLoader加载，如果上述两步均没有找到加载的class，则调用findClass()方法，在我们自定义的加载器中，我们重写了findClass方法，去我们指定的路径下加载class文件。

　　另外，我们自定义的类加载器没有指定父加载器，在JVM规范中不指定父类加载器的情况下，默认采用系统类加载器即AppClassLoader作为其父加载器，所以在使用该自定义类加载器时，需要加载的类不能在类路径中，否则的话根据双亲委派模型的原则，待加载的类会由系统类加载器加载。如果一定想要把自定义加载器需要加载的类放在类路径中, 就要把自定义类加载器的父加载器设置为null。 

　　方式二：继承URLClassLoader类，然后设置自定义路径的URL来加载URL下的类。

　　我们将指定的目录转换为URL路径，然后重写findClass方法。

六、实现类的热部署

　　1、什么是类的热部署？

　　所谓热部署，就是在应用正在运行的时候升级软件，不需要重新启用应用。

　　对于Java应用程序来说，热部署就是运行时更新Java类文件。在基于Java的应用服务器实现热部署的过程中，类装入器扮演着重要的角色。大多数基于Java的应用服务器，包括EJB服务器和Servlet容器，都支持热部署。

　　类装入器不能重新装入一个已经装入的类，但只要使用一个新的类装入器实例，就可以将类再次装入一个正在运行的应用程序。

　　2、如何实现Java类的热部署

　　前面的分析，我们已经知道，JVM在加载类之前会检查请求的类是否已经被加载过来，也就是要调用findLoadedClass方法查看是否能够返回类实例。如果类已经加载过来，再调用loadClass会导致类冲突。

　　但是，JVM判断一个类是否是同一个类有两个条件：一是看这个类的完整类名是否一样(包括包名)，二是看加载这个类的ClassLoader加载器是否是同一个(既是是同一个ClassLoader类的两个实例，加载同一个类也会不一样)。

　　所以，要实现类的热部署可以创建不同的ClassLoader的实例对象，然后通过这个不同的实例对象来加载同名的类。

七、参考资料

　　1、http://www.2cto.com/kf/201403/284030.html