为什么 Java 程序员必须要懂类加载机制？

问题 16

想要成为一名高级 Java 开发人员，光会写业务代码可不行。 我们都知道 Java 源文件会被编译为 class 文件，然后在 Java 运行时类加载器负责加载 class 文件。 那么你有没有想过，JVM 中有几种类加载器，它们是如何分工的，以及加载过程中经历了什么？

答案

说起类加载过程，我们首先得了解 ClassLoader 类加载器 。 类加载器负责将 class 数据加载到 Java 运行时环境中，它控制 着JVM 去何处（本地文件系统、远程网络或者其他环境）加载 class 信息，以及 class 数据格式的规范性。

类加载器历史

在 Java 1.1 及之前的版本中，各个类加载之间不存在联系。 例如系统类加载器负责加载应用，以及 classpath 目录下的 class 文件和资源； 而 applet 的类加载器负责和服务器端交互以加载 applets 应用和它相关的 class 文件和资源。

在 J2SE 1.2 版本（如果你知道 J2SE 这个称呼，证明你是一名老 程序员 了，哈哈），类加载器之间产生了一种关系，这种关系也就是我们熟知的 parent delegation（中文译作双亲委派） 机制。

双亲委派是什么

简单来说双亲外派机制就是当前的类加载器去加载一个 class 数据之时，它会先委托它的父加载器去做这件事，父加载器它会递归去委托自己的父加载器去加载，直到父加载器不存在，或者父加载器加载不到的时候才自己去加载（注意：此处的父加载器并不是 Java 中的继承关系，而是职责上的关系）。

JDK 中提供了如下 3 种常见的类加载器：

BootstrapClassLoader： 俗称启动类加载器，是最顶层的类加载器，也称为 root 类加载器，负载加载 JRE/lib/rt.jar 中的 class 文件，加载目录可以通过 -Xbootclasspath 改变。

ExtClassLoader： 俗称扩展类加载器，负责加载 JRE/lib/ext 目录下的 class 文件，可以通过设置环境变量 java.ext.dirs 改变加载目录，优先级次于 BootstrapClassLoader。

AppClassLoader： 俗称应用类加载器，也称系统类加载器，负责加载我们的应用 class 文件和 classpath 环境变量指定目录下的 class 文件，优先级次于 ExtClassLoader。

这种机制的好处是可以明确的分工每种类加器的职责，同时保证 class 加载的唯一性，当一个 class 文件被其父加载器加载过以后，后续类加载器就不会加载了。

双亲委派机制的弊端

它也有不足之处，例如 Java 的 SPI 机制，这种双亲委派机制就不能很好的支持，因此又引入了上下文类加载器。

SPI 全称 Service Provider Interface，它是 Java 发现服务的一种规范。JDK 负责提供服务的接口规范，第三方厂商负责来实现该服务。例如我们熟知的 JDBC 就是采用这种机制来实现。

JDBC 的接口规范由 JDK 定义在 rt.jar 中，我们知道这个 jar 中 class 是由 BootstrapClassLoader 来负责加载的，然而 JDBC 的实现类是由 AppClassLoader 来负责加载的。 因此当 JDBC 接口需要用到实现类时就无法完成操作了，但是鸡贼的 Java 大神们引入了线程上下文类加载器来解决这个问题。

如果你不做特殊设置的话，通常线程的上下文类加载器就是系统类加载器，即为 AppClassLoader，使用它恰巧可以加载厂商提供的实现类的 class 文件，有兴趣的同学可以参考 JDK 中 java.sql 包下的 DriverManager 中的部分源码如下：

//  Worker method called by the public getConnection() methods.

ClassLoader callerCL = caller !=  null ? caller.getClassLoader() :  null ;

synchronized (DriverManager.class) {

// synchronize loading of the correct classloader.

if (callerCL ==  null ) {

callerCL = Thread.currentThread().getContextClassLoader();

}

/**省略部分源码**/

}

通过上面我们了解了 JDK 中几种类加载器的分工，也讨论了双亲委派加载机制的本质。 接下来让我们一起看看一个 class 文件在被加载到 Java 运行时环境中变成一个可以使用的 java.lang.Class 实例之前经过了哪些步骤。

类加载步骤

一个 class 文件变为 Java 运行时环境中的可以使用的 Class 实例时，主要经过了加载、链接和初始化 3 个步骤。

1. 加载

这个阶段总共会做 3 件事：

1.通过类的全限定名获得定义该类的二进制字节流。

2.将字节流转换为 JVM 运行时数据结构。

3.在 JVM 中生成代表该类的 Class 实例，以供后续使用。

2. 链接

该阶段主要分为了验证、准备和解析 3 个步骤：

验证 是链接第一步，首先验证文件格式，确认 class 文件否和当前虚拟机规范，例如以魔数 0xCAFEBABE 开头，class 版本号在当前虚拟机处理范围内等等； 其次是分析代码语义，确认其描述的语义否和 Java 语言规范；

准备 是链接的第二步，该阶段将为类变量（static 修饰）分配内存，如果它是一个常量（static final 修饰），则直接初始化为目标常量。

解析 是链接的第三步，该阶段虚拟机会将常量池中符号引用替换为直接引用。

3. 初始化

该阶段是最贴近程序员编码的，主要执行所有类变量的初始化和静态代码块，同时虚拟机会保证在子类初始化操作之前完成父类（接口除外，接口只有在直接使用到接口的静态属性时候才会初始化）的初始化。

如上即为我们今天要介绍的 Java 类加载器，以及双亲委派机制，类加载的主要过程，小伙伴们是否有疑问呢，欢迎留言与我讨论。