一、介绍
Java 类加载机制的作用和重要性
Java 类加载机制是 Java 运行时的核心组成部分，负责在程序运行过程中动态加载和连接类文件，并将其转换为可执行代码。
实现动态加载：Java 类加载机制允许程序在运行时根据需要动态地加载类文件。这种能力使得开发人员可以根据实际需求来加载所需的类，而不需要一次性加载所有的类。这对于大型应用程序和框架来说特别有用，因为它们可能包含大量的类，但只有在需要时才会加载。
解决依赖关系：Java 类加载机制可以解决类之间的依赖关系。当一个类引用另一个类时，如果被引用的类还未被加载，类加载机制会自动触发对被引用类的加载。这种机制确保了类的正确顺序加载，避免了由于依赖关系引起的编译错误或运行时错误。
实现类的隔离性：Java 类加载器通过不同的命名空间实现了类的隔离性。每个类加载器都有自己的命名空间，同一个类可以被不同的类加载器加载多次，每次都会生成独立的类对象。这种隔离性使得不同的模块或应用可以使用不同的类版本，避免了类之间的冲突。
支持动态代理和反射：Java 类加载机制为动态代理和反射提供了基础。通过类加载器，我们可以在运行时动态地生成代理类，并且可以在运行时获取和操作类的字段、方法等信息。这种能力使得 Java 在面向对象编程和框架设计方面更加灵活和强大。
实现安全性和权限控制：Java 类加载机制可以实现安全性和权限控制。它可以限制某些类只能由特定的类加载器加载，从而控制类的访问权限。这对于保护系统的安全性和防止恶意代码的执行至关重要。
二、类加载器
加载器类别
启动类加载器（Bootstrap Class Loader）
启动类加载器（Bootstrap Class Loader）是 Java 类加载器中的最顶层的一个加载器，它负责加载 Java 运行时核心类库和其他被 JVM 所信任的重要类。
加载核心类库：启动类加载器负责加载 Java 运行时所需的核心类库，包括Java标准库（rt.jar）和扩展库（ext目录下的jar文件）。这些类库包含了 Java 语言的基本类，如Object、String等，以及Java运行时的核心类，如Class、ClassLoader等。
无法直接获取：启动类加载器是 JVM 实现的一部分，通常由系统或者虚拟机实现语言编写，无法在Java代码中直接获取到。它是 JVM 的一部分，存在于JVM内核中。
实现为本地代码：由于启动类加载器是 JVM 实现的一部分，因此它的实现通常是用本地代码（C/C++）编写的。这样可以保证加载器的安全性和效率。
非Java类加载器：启动类加载器不是一个普通的Java类加载器，它不继承自java.lang.ClassLoader类（Java中所有类加载器的基类），而是由JVM实现为特殊的逻辑加载器。
独立于Java应用：启动类加载器是在 JVM 启动过程中被创建的，它独立于任何Java应用程序。它的主要目的是加载核心类库，为后续的类加载器提供基础。
位于引导类路径上：启动类加载器从一个特定的位置加载类，该位置被称为引导类路径（Bootstrap Classpath）。引导类路径通常是 JVM 实现的一部分，并且会根据不同的 JVM 实现而有所不同。
无法自定义：由于启动类加载器是 JVM 的一部分，因此无法对其进行自定义或替换。它负责加载 Java 运行时的基础类库，保证了Java程序运行的稳定性和安全性。
扩展类加载器（Extension Class Loader）
扩展类加载器（Extension Class Loader）是 Java 类加载器中的一种，它是属于标准的系统类加载器的一部分。扩展类加载器用于加载 Java 虚拟机扩展目录（Java Extension Directory）中的类库。
加载扩展目录：扩展类加载器负责加载 Java 虚拟机的扩展目录（Java Extension Directory），该目录的位置由系统属性 java.ext.dirs 指定。默认情况下，扩展目录位于 /lib/ext 目录下。
扩展目录的作用：扩展目录是用于存放 Java 虚拟机的扩展类库或第三方库的目录。它提供了一种在 Java 平台上安装额外功能的机制，使得开发人员可以通过简单地将 JAR 文件放置到扩展目录中来扩展 Java 的功能。
从父类加载器继承：扩展类加载器是标准的系统类加载器的一个实例，它从父类加载器（一般是启动类加载器）继承加载类的能力。这意味着当扩展类加载器无法加载一个类时，它会委派给父类加载器来尝试加载。
加载扩展类库：扩展类加载器主要用于加载扩展目录中的类库。扩展目录中的类库是一些提供额外功能或扩展 Java API 的类库，它们通常以 JAR 文件的形式存在。
独立于应用程序：扩展类加载器是独立于应用程序的，它是 JVM 内置的一个类加载器，负责加载系统级别的类库。它和应用程序的类加载器（如应用类加载器）是相互独立的。
可以自定义扩展目录：通过修改系统属性 java.ext.dirs，我们可以自定义扩展目录的位置。这样，我们可以将一些额外的类库放置到自定义的扩展目录中，并由扩展类加载器加载。
实现为纯Java类：扩展类加载器的实现是一个普通的 Java 类，它继承自 java.net.URLClassLoader。这使得我们可以通过 Java 代码来获取扩展类加载器实例，并与其交互。
应用程序类加载器（Application Class Loader）
应用程序类加载器（Application Class Loader），也称为系统类加载器（System Class Loader），是 Java 类加载器中的一种。它负责加载应用程序的类和资源文件。
加载应用程序类：应用程序类加载器是负责加载应用程序的类的主要类加载器。它从指定的类路径（Classpath）中加载类文件，包括应用程序的源代码编译后生成的字节码文件。
类路径的设置：类路径是指用于查找类文件的路径列表。在运行 Java 程序时，我们可以通过命令行参数 -classpath 或简写的 -cp 来设置类路径。类路径可以包含目录和 JAR 文件。
与系统类加载器关联：应用程序类加载器是系统类加载器的实例，它继承了系统类加载器的行为和能力。系统类加载器是ClassLoader类的子类，Java虚拟机在启动时自动创建了一个系统类加载器，并将其指定给应用程序类加载器。
搜索顺序：应用程序类加载器按照特定的搜索顺序加载类。首先，它会尝试使用自己的类路径加载类文件。如果找不到，则会委派给父类加载器，依次往上搜索，直到达到顶层的启动类加载器为止。这种委派模型称为双亲委派模型。
加载应用程序资源：除了加载类文件，应用程序类加载器还负责加载应用程序的资源文件。资源文件可以是文本文件、配置文件、图片等应用程序所需的其他非类文件。通过应用程序类加载器，我们可以使用 getResource() 或 getResourceAsStream() 方法来获取应用程序的资源。
可以自定义类加载器：虽然应用程序类加载器是由Java虚拟机在运行时自动创建的，但我们也可以通过编写自定义的类加载器来替换或扩展它的功能。自定义类加载器可以用于实现特定的类加载策略，如从数据库、网络或非标准路径加载类。
独立于应用程序：应用程序类加载器是与特定的应用程序相关联的，它负责加载应用程序的类和资源。每个应用程序都有自己独立的应用程序类加载器，不同的应用程序之间相互独立。
双亲委派模型（Delegation Model）
双亲委派模型（Parent Delegation Model）是 Java 类加载器的一种工作机制，它定义了类加载器之间的层次关系和类加载的优先级。
类加载器层次结构：在 Java 类加载器中，存在一个层次结构，由多个类加载器按照特定的顺序组成。这个层次结构通常被称为类加载器链。
父子关系：双亲委派模型中，每个类加载器都有一个父类加载器（除了根类加载器），它们之间通过组合关系建立起层次结构。一个类加载器的父加载器通常是其上一级的加载器。
加载优先级：当一个类加载器需要加载一个类时，它首先将加载请求委派给其父类加载器。如果父加载器能够加载该类，那么就直接返回该类；否则，才由子加载器尝试加载。这样一层一层的委派下去，直到父加载器无法加载或者到达最顶层的启动类加载器。
避免重复加载：双亲委派模型的核心思想是避免重复加载类。在加载过程中，如果某个类已经由父类加载器加载过了，那么子类加载器就不再加载，直接使用父加载器已加载的版本。这样能够确保同一个类在内存中只有一份，避免了类的重复定义和冲突。
安全性保证：双亲委派模型也提供了一定的安全性保证。通过设置不同的类加载器层次结构，可以控制类加载的权限。核心的 Java API 类库通常由启动类加载器加载，而应用程序自定义的类则由应用程序类加载器加载。这样，核心类库的类无法被重新定义或篡改，保障了Java平台的稳定和安全。
自定义类加载器：双亲委派模型也为自定义类加载器提供了基础。通过继承 ClassLoader 类并重写其方法，我们可以自定义类加载器，实现特定的类加载策略。自定义类加载器可以在加载类的过程中修改默认的委派行为，实现一些特殊需求。
双亲委派模型是 Java 类加载器的一种工作机制，定义了类加载器之间的层次关系和类加载的优先级。它通过委派机制，使得父加载器先尝试加载类，避免了重复加载和类的冲突。双亲委派模型也提供了一定的安全性保证，控制了类加载的权限。同时，双亲委派模型也为自定义类加载器提供了基础，可以实现特定的类加载策略。
自定义类加载器
自定义类加载器是通过继承ClassLoader类来实现的。ClassLoader是Java虚拟机提供的用于加载类和资源的基础类加载器，自定义类加载器可以在其基础上实现特定的加载策略。
ClassLoader类。public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
// 自定义类加载器的实现
}
findClass(String name)方法。这个方法负责根据类的名称查找并加载类的字节码。public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
@Override
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
byte[] byteCode = loadClassBytes(name); // 加载类的字节码
if (byteCode == null) {
throw new ClassNotFoundException();
}
return defineClass(name, byteCode, 0, byteCode.length);
}
private byte[] loadClassBytes(String name) {
// 根据name加载类的字节码，可从文件系统、网络等位置加载
// 返回字节码的字节数组
}
}
findClass()方法中，我们需要根据类的名称加载相应的字节码。这一步可以根据需求自由实现，例如从文件系统、网络或其他非标准位置加载。private byte[] loadClassBytes(String name) {
// 根据name加载类的字节码，可从文件系统、网络等位置加载
// 返回字节码的字节数组
try (InputStream inputStream = new FileInputStream(name + ".class")) {
ByteArrayOutputStream byteStream = new ByteArrayOutputStream();
byte[] buffer = new byte[4096];
int bytesRead;
while ((bytesRead = inputStream.read(buffer)) != -1) {
byteStream.write(buffer, 0, bytesRead);
}
return byteStream.toByteArray();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
这个示例中，我们通过从文件系统加载类的字节码。你可以根据实际需求自行实现，例如从网络下载字节码或从其他自定义位置加载。
public class Main {
public static void main(String[] args) {
CustomClassLoader classLoader = new CustomClassLoader();
try {
Class customClass = classLoader.loadClass("com.example.CustomClass");
// 使用加载的类进行操作
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
在这个示例中，我们创建了一个CustomClassLoader实例，并调用loadClass()方法加载指定的类。返回的Class对象可以用于实例化对象或调用类的静态方法。
public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
@Override
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
if (shouldLoadWithCustomClassLoader(name)) {
byte[] byteCode = loadClassBytes(name);
if (byteCode == null) {
throw new ClassNotFoundException();
}
return defineClass(name, byteCode, 0, byteCode.length);
} else {
return super.findClass(name);
}
}
private boolean shouldLoadWithCustomClassLoader(String name) {
// 根据自定义规则判断是否由自定义类加载器加载
// 返回true表示由自定义类加载器加载，返回false表示由父类加载器加载
}
}
在这个示例中，我们通过重写findClass()方法，根据自定义规则判断是否应该由自定义类加载器加载类。如果满足条件，则调用defineClass()方法加载类的字节码；否则，则交给父类加载器处理。
三、类加载过程
加载阶段（Loading）
验证阶段（Verification）
准备阶段（Preparation）
解析阶段（Resolution）
初始化阶段（Initialization）
使用阶段（Usage）
四、类的卸载
垃圾回收对类的卸载处理
在Java虚拟机中，垃圾回收（Garbage Collection）是负责自动回收不再使用的内存资源的机制。当一个类不再被使用时，Java虚拟机会通过垃圾回收来回收该类所占用的内存空间，并对其进行卸载处理。
垃圾回收器通过标记-清除（Mark and Sweep）算法或其他相关算法来识别和回收无用的对象。当垃圾回收器确定某个类的所有实例对象都已经不再被引用时，它可以判断该类已经不再需要存在于内存中。
在垃圾回收过程中，如果一个类的所有实例对象都被回收，那么虚拟机将执行类的卸载操作。类卸载的具体过程如下：
需要注意的是，类的卸载是一个相对较为复杂的操作，且其具体实现可能因Java虚拟机的不同而有所差异。一般情况下，只有当满足特定条件时，垃圾回收器才会触发类的卸载操作，例如类的所有实例对象都已经被回收，并且该类的类加载器也不再被引用。
卸载条件和判定过程
类的卸载是一个相对较为复杂的操作，其触发和判定过程可能因Java虚拟机的不同而有所差异。一般情况下，以下条件之一满足时，垃圾回收器才会触发类的卸载操作：
卸载判定过程：
在Java虚拟机中，类的卸载判定通常是由垃圾回收器来完成的。具体的卸载判定过程可能因虚拟机的实现而有所不同，但一般会包括以下步骤：
根据特定的条件触发垃圾回收：当满足一定的条件时，虚拟机会触发垃圾回收。这些条件可以是虚拟机自身设定的策略，或者通过用户设置的参数进行配置。
标记阶段：垃圾回收器会对堆内存中的对象进行标记，以识别哪些对象是可达的，哪些对象是不可达的。可达对象通常意味着它们仍然被引用，不可达对象则表示它们已经没有与之关联的引用。
清除阶段：在标记阶段之后，垃圾回收器会清除那些被标记为不可达的对象。这样一来，堆内存中就会释放出那些不再被引用的对象所占用的空间。
类的卸载判定：在清除阶段之后，垃圾回收器会进一步检查类的卸载条件。它会遍历已加载的类，并检查每个类的实例对象是否都已经被回收。如果一个类的所有实例对象都已经被回收，那么虚拟机会继续检查该类的类加载器是否还被引用。
卸载操作：如果一个类的所有实例对象都已经被回收，并且该类的类加载器也不再被引用，那么虚拟机可以执行类的卸载操作。卸载操作将释放该类所占用的内存空间，并且将该类在方法区中的相关信息清除。
需要注意的是，垃圾回收和类的卸载通常是由虚拟机自动进行的，我们不需要显式地触发或管理类的卸载过程。这种自动化的内存管理机制确保了Java程序的运行效率和稳定性。
五、类加载机制的应用场景
动态类加载和使用：类加载机制允许在运行时动态地加载和使用类。这对于实现插件化、模块化和动态扩展的应用非常有用。例如，Java中的反射机制就依赖于类加载机制，通过加载和使用未知类的信息，实现了动态调用和绑定。
自定义类加载器：Java提供了自定义类加载器的能力，开发人员可以根据特定需求实现自定义的类加载器，从而加载非标准位置或非标准格式的类文件。这在一些特殊场景下很有用，比如热部署、代码隔离和安全性管理。
动态代理和AOP（面向切面编程）：类加载机制可以通过动态代理生成代理类，实现日志记录、事务管理等横切逻辑的切面编程。通过在类加载过程中对字节码进行增强，可以在运行时动态地为类添加额外的功能。
类的隔离和沙箱环境：类加载机制对类的加载、访问和使用进行了严格的控制，可以实现类的隔离和沙箱环境。这在安全性要求较高的环境中非常重要，比如浏览器插件、操作系统级别的应用程序和网络服务器。
类加载器链和模块化：类加载机制通过类加载器链的方式，实现了类的层次化加载和命名空间的划分，促进了模块化开发和组件化架构。比如Java的模块化系统——Java Platform Module System（JPMS），依赖于类加载机制来加载和管理模块。
运行时类型信息（RTTI）：类加载机制提供了运行时类型信息的支持，包括获取类的名称、方法、字段等元数据信息，以及进行类型检查和转换。这对于动态编程和反射等场景非常有用。
