深入理解Java虚拟机之虚拟机类加载机制

C/C++在运行前需要完成预处理、编译、汇编、链接；而在Java中，类加载(加载、连接、初始化)是在程序运行期间第一次使用时动态加载的，而不是编译时期一次性加载。因为如果在编译时期一次性加载，会占用很多的内存。在程序运行期间进行类加载会稍微增加程序的开销，但随之会带来更大的好处 —— 提高程序的灵活性。
Java语言的灵活性体现在它可以在运行期间动态扩展，所谓动态扩展就是在运行期间动态加载和动态连接。例如，如果编写一个面向接口的应用程序，可以等到运行时再指定其实际的实现类；用户可以通过Java预定义的和自定义类加载器，让一个本地的应用程序可以在运行时从网络或其他地方加载一个二进制流作为程序代码的一部分，这种组装应用程序的方式目前已广泛应用于Java程序之中。从最基础的Applet、JSP到相对复杂的OSGi技术，都使用了Java语言运行期类加载的特性。

类的生命周期

一个类从加载进内存到卸载出内存为止，一共经历7个阶段：

  • 加载（Loading）
  • 验证（Verification）
  • 准备（Preparation）
  • 解析（Resolution）
  • 初始化（Initialization）
  • 使用（Using）
  • 卸载（Unloading）

其中加载、验证、准备、初始化的顺序是固定的，虽然它们并不一定是严格同步串行执行，存在交叉，但开始时间是按序的。但解析过程在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持 Java 的动态绑定。

其中，类加载包括5个阶段：

  • 加载
  • 验证
  • 准备
  • 解析
  • 初始化

在类加载的过程中，以下3个过程称为连接：

  • 验证
  • 准备
  • 解析

因此，JVM的类加载过程也可以概括为3个过程：

  • 加载
  • 连接
  • 初始化

类加载的时机

主动引用

虚拟机规范中并没有强制约束何时进行加载，但是规范严格规定了有且只有下列五种情况必须对类进行加载（加载、验证、准备都会随之发生），称为主动引用：

1、遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有被加载，则需要先加载。
生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：

  • 使用new关键字实例化对象的时候
  • 读取或设置一个类的静态字段(被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)的时候
  • 调用一个类的静态方法的时候

2、使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有被加载，则需要先加载。

3、当加载一个类的时候，如果发现其父类还没有被加载，则需要先加载其父类。

4、当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的那个类)，虚拟机会先加载这个主类（当然如果主类存在未加载的父类，会先加载父类）。

5、当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有被加载，则需要先加载。

被动引用

5种会触发类加载的主动引用场景之外，所有引用类的方式都不会触发类加载，称为被动引用。

被动引用的场景示例

示例一：通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类加载

package cn.habitdiary;
public class SuperClass{
    public static int value = 123;
    static{
    System.out.println("SuperClass init!");
    }
}
public class SubClass extends SuperClass{
    static{
        System.out.println("SubClass init!");
    }
}
public class NotInitialization{
    public static void main(String[]args){
    System.out.println(SubClass.value);
    }
}

输出结果：
SuperClass init!
原因分析：
本示例看似满足加载时机的第一条：当要获取某一个类的静态成员变量的时候如果该类尚未加载，则对该类进行加载。但对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被加载，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段属于间接引用，只会触发父类的加载而不会触发子类的加载。

示例二：通过数组定义来引用类，不会触发此类的加载

public class NotInitialization{
    public static void main(String[]args){
        SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
    }
}

输出结果：
无输出
原因分析：
这个过程看似满足加载时机的第一条：遇到new创建对象时若类没被加载，则加载该类。
运行之后发现没有输出“SuperClass init!”，说明并没有触发类cn.habitdiary.SuperClass的加载阶段。但是这段代码里面触发了另外一个名为 [Lcn.habitdiary.SuperClass 的类的加载阶段。对于用户代码来说，这并不是一个合法的类名称，它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承于java.lang.Object的子类，创建动作由字节码指令newarray触发。
这个类代表了一个元素类型为cn.habitdiary.SuperClass的一维数组，数组中应有的属性和方法(用户可直接使用的只有被修饰为public的length属性和clone()方法)都实现在这个类里。
简言之，现在通过new要创建的是一个SuperClass数组对象，而非SuperClass类对象，因此也属于间接引用，不会加载SuperClass类。

示例三：常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的加载

package cn.habitdiary;
public class ConstClass{
    public static final String HELLOWORLD="hello world";
    static{
        System.out.println("ConstClass init!");
    }
}
public class NotInitialization{
    public static void main(String[]args){
        System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
    }
}

输出结果：
hello world
原因分析：
本示例看似满足类加载时机的第一个条件：获取一个类静态成员变量的时候若类尚未加载则加载类。
这是因为虽然在Java源码中引用了ConstClass类中的常量HELLOWORLD，但HELLOWORLD是被final修饰的常量，在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值“hello world”存储到了引用它的类（这里是NotInitialization类）的常量池中，以后NotInitialization对常量ConstClass.HELLOWORLD的引用实际都被转化为NotInitialization类对自身常量池的引用了，本质上并没有直接引用到定义常量的类ConstClass，因此不会触发它的加载。
也就是说，实际上NotInitialization的Class文件之中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译成Class之后就不存在任何联系了。

接口的加载

接口和类都需要加载，接口和类的加载过程基本一样，不同点在于：类加载时，如果发现父类尚未被加载，则先要加载父类，然后再加载自己；但接口加载时，并不要求父接口已经全部加载，有在真正使用到父接口的时候(如引用接口中定义的常量)才会加载。另外，接口中不能使用“static{}”语句块。

类加载的过程

接下来我们详细讲解一下Java虚拟机中类加载的全过程，也就是加载、验证、准备、解析和初始化这5个阶段所执行的具体动作。

加载

注意：“加载”是“类加载”过程的第一步，千万不要混淆。
加载时JVM做了什么？
在加载过程中，JVM主要做3件事情：

  • 通过一个类的全限定名来获取这个类的二进制字节流，即class文件
  • 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构，存储在方法区中。
  • 在堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口。接下来程序在运行过程中所有对该类的访问都通过这个类对象，也就是这个Class类型的类对象是提供给外界访问该类的接口。
加载源（二进制字节流可以从以下方式获取）
  • 文件：从 ZIP 包读取，这很常见，最终成为日后 JAR、EAR、WAR 格式的基础。
  • 网络：从网络中获取，这种场景最典型的应用是 Applet。
  • 由其他文件动态生成：典型场景是 JSP 应用，即由 JSP 文件生成对应的 Class 类。
  • 数据库：将二进制字节流存储至数据库中，然后在加载时从数据库中读取。这种场景相对少见，例如有些中间件服务器（如 SAP Netweaver）可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。
  • 计算生成：运行时计算生成，这种场景使用得最多的就是动态代理技术。在 java.lang.reflect.Proxy 中，就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass 的代理类的二进制字节流。
类和数组加载过程的区别？

一个非数组类的加载阶段(准确地说，是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作)是开发人员可控性最强的，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式。
如果数组的组件类型(Component Type，指的是数组去掉一个维度的类型)是引用类型，那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识(这点很重要，一个类必须与类加载器一起确定唯一性)。
如果数组的组件类型不是引用类型(例如int[]数组)，Java虚拟机将会把数组标记为与引导类加载器关联。
数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组类的可见性将默认为public。

加载过程的注意点

1、加载阶段完成后,虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在堆中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。
2、加载阶段与连接阶段的部分内容(如一部分字节码文件格式验证动作)是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是：为确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。
验证阶段是非常重要的，这个阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击。从执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中又占了相当大的一部分。对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要(因为对程序运行期没有影响)的阶段。如果所运行的全部代码(包括自己编写的及第三方包中的代码)都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段就可以考虑使用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

为什么需要验证？

Java语言本身是相对安全的语言(依然是相对于C/C++来说)，使用纯粹的Java代码无法做到诸如访问数组边界以外的数据、将一个对象转型为它并未实现的类型、跳转到不存在的代码行之类的事情，如果这样做了，编译器将拒绝编译。但前面已经说过，Class文件并不一定要求用Java源码编译而来，可以使用任何途径产生，甚至包括用十六进制编辑器直接编写来产生Class文件。在字节码语言层面上，上述Java代码无法做到的事情都是可以实现的，至少语义上是可以表达出来的。虚拟机如果不检查输入的字节流，对其完全信任的话，很可能会因为载入了有害的字节流而导致系统崩溃，所以验证是虚拟机对自身保护的一项重要工作。

验证流程

从整体上看，验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。
1.文件格式验证
第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。
这一阶段可能包括下面这些验证点：

  • 是否以魔数0xCAFEBABE开头。
  • 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内，如：JDK1.8（52.0）、JDK1.7（51.0）。
  • 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型(检查常量tag标志)。
  • 指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量。
  • CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。
  • Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。
    . . . . . .

实际上，第一阶段的验证点还远不止这些，上面这些只是从HotSpot虚拟机源码中摘抄的一小部分内容，该验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。

2.元数据验证
第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求，这个阶段可能包括的验证点如下:

  • 这个类是否有父类(除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类)。
  • 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类(被final修饰的类)。
  • 如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法。
  • 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾(例如覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的方法重载，例如方法参数都一致，但返回值类型却不同等)。
    . . . . . .

第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

3.字节码验证
第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。 在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件，例如:

  • 保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现类似这样的情况：在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中。
  • 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
  • 保证方法体中的类型转换是有效的，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这是安全的，但是把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个数据类型，则是危险和不合法的。
    . . . . . .

如果一个类方法体的字节码没有通过字节码验证，那肯定是有问题的；但如果一个方法体通过了字节码验证，也不能说明其一定就是安全的。即使字节码验证之中进行了大量的检查，也不能保证这一点。这里涉及了离散数学中一个很著名的问题“Halting Problem” ：通俗一点的说法就是，通过程序去校验程序逻辑是无法做到绝对准确的——不能通过程序准确地检查出程序是否能在有限的时间之内结束运行。

4.符号引用验证
最后一个阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外(常量池中的各种符号引用)的信息进行匹配性校验，通常需要校验下列内容:

  • 符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。
  • 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段。
  • 符号引用中的类、字段、方法的访问性(private、protected、public、default)是否可被当前类访问。
    . . . . . .

符号引用验证的目的是确保解析动作能正常执行，如果无法通过符号引用验证，那么将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类，如：
java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在堆中进行分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下：首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量(被static修饰的变量)，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在堆中。注意，实例化不是类加载的一个过程，类加载发生在所有实例化操作之前，并且类加载只进行一次，实例化可以进行多次！其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：

public static int value = 123;

变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123！因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为123的 putstatic 指令是程序被编译后，存放于类构造器<clinit>()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。
上面提到，在“通常情况”下初始值是零值，那相对的会有一些“特殊情况”：如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性(即该字段被 final static 修饰)，那在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，假设上面类变量value的定义变为：

public static final int value = 123;

编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，符号引用在讲解Class文件格式的时候已经出现过多次,在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现，那解析阶段中所说的直接引用与符号引用又有什么关联呢?

符号引用(Symbolic References)：
符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。

直接引用(Direct References)：
直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码(或者说是字节码)。
在准备阶段，类变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员通过程序制定的主观计划去显式初始化类变量和其他资源，或者可以从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。<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。

初始化过程的注意点：

  • <clinit>()方法中编译器收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块(static{}块)中语句的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的。
  • 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：
public class Test{
    static{
        i = 0;//给变量赋值可以正常编译通过
        System.out.print(i);//这句编译器会提示"非法向前引用"
    }
    static int i=1;
}
  • <clinit>()方法与实例构造器<init>()方法不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类肯定是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，如在下面的例子中，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。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>()方法。
  • 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，因此当多条线程同时执行某一个类的<clinit>()方法时，那么只会有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<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，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。并且，只要有一个<clinit>()方法执行完，其它的<clinit>()方法就不会再被执行。因此，在同一个类加载器下，同一个类只会被初始化一次。

类加载器

类加载器的作用

将class文件加载进JVM的方法区，并在堆中创建一个java.lang.Class对象作为外界访问这个类的接口。

JVM加载类的两种方式

  • 隐式加载：不通过在代码里调用ClassLoader来加载需要的类，而是通过主动引用的方式来自动加载类，如new一个类的对象，调用一个类的静态方法等。
  • 显式加载：在代码中通过ClassLoader来加载一个类，例如调用this.getClass().getClassLoader().loadClass()或者Class.forName()。

类与类加载器的关系

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远不限于类加载阶段。对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在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。这句话可以表达得更通俗一些：只有被同一个类加载器加载的类才可能会相等，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，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()方法的返回结果为true，也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定结果为true。

类加载器种类

从Java虚拟机的角度来讲，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
  • 所有其他的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader

从Java开发人员的角度来看，类加载器还可以划分得更细致一些，绝大部分Java程序都会使用到以下3种系统提供的类加载器：

启动类加载器(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.util.*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AppClassLoader类加载器。

扩展类加载器(Extension ClassLoader)：
这个类加载器是由ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）实现的。扩展的class loader，加载位于$JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下的扩展jar。

应用程序类加载器(Application ClassLoader)：
这个类加载器是由AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）实现的。由于这个类加载器是 ClassLoader 中的 getSystemClassLoader() 方法的返回值，因此一般称为系统类加载器。它负责加载$CLASSPATH所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，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。

自定义类加载器：

实现步骤

1.定义一个类，继承 ClassLoader
2.重写findClass()方法（不打破双亲委派模型）

自定义类加载器的优势

加密：Java代码很容易被反编译，可以先将编译后的代码用某种加密算法加密，然后实现自己的类加载器，负责将这段加密后的代码还原。
从非标准来源加载代码：例如字节码位于数据库甚至云端，就可以通过自定义的类加载器，从指定的来源加载类。

双亲委派模型

什么是双亲委派模型？

我们的应用程序都是由上述前3种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自己定义的类加载器。这些类加载器之间的关系如图所示：


上图展示的类加载器之间的这种层次关系，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当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承(Inheritance)的关系来实现，而是都使用组合(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期间被引入并被广泛应用于之后几乎所有的Java程序中，但它并不是一个强制性的约束模型，而是Java设计者推荐给开发者的一种类加载器实现方式。

工作过程

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加载。

好处

使得 Java 类随着它的类加载器一起具有一种带有优先级的层次关系，从而使得基础类得到统一。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类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反，如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个称为java.lang.Object的类，并放在程序的ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。

实现

双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作很重要，但它的实现却非常简单，实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中。逻辑清晰易懂：先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父加载器的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。如果父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载。

/**
* 双亲委派模型的实现
*/
public abstract class ClassLoader {
    // 父加载器，通过组合而不是继承实现
    private final ClassLoader parent;

    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
    }

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) 
        throws ClassNotFoundException {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 检查类是否已被加载过
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) { //若没有加载过
                try {
                    if (parent != null) {
                 //若父加载器不为 null，调用父加载器的loadClass()方法
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                //若父加载器为null，默认使用启动类加载器作为父加载器
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                //如果父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常
                }

                if (c == null) {
                   //调用自己的findClass()方法进行加载
                    c = findClass(name);
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
}

自定义类加载器实现

FileSystemClassLoader 是自定义类加载器，继承自java.lang.ClassLoader，用于加载文件系统上的类。它首先根据类的全名在文件系统上查找类的字节代码文件（.class 文件），然后读取该文件内容，最后通过 defineClass() 方法来把这些字节代码转换成java.lang.Class 类的实例。

java.lang.ClassLoader 的 loadClass() 实现了双亲委派模型的逻辑，为了不打破双亲委派模型，自定义类加载器一般不去重写它，但是需要重写 findClass() 方法

FileSystemClassLoader.java

public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader {

    private String rootDir;

    public FileSystemClassLoader(String rootDir) {
        this.rootDir = rootDir;
    }

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = getClassData(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }

    private byte[] getClassData(String className) {
        String path = classNameToPath(className);
        try {
            InputStream ins = new FileInputStream(path);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int bufferSize = 4096;
            byte[] buffer = new byte[bufferSize];
            int bytesNumRead;
            while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, bytesNumRead);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    private String classNameToPath(String className) {
        return rootDir + File.separatorChar
                + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
    }
}

定义好自定义类加载器，使用Class.forName()带类加载器的重载方法或者类加载器对象的loadClass()方法就可以使用自定义的类加载器来加载类了。

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