深入剖析Java类加载机制，揭秘双亲委派模型原理及实现，助你更透彻理解JVM类加载过程。
原文标题：你知道Java类是如何被加载的吗？
原文作者：阿里云开发者
冷月清谈：
在类加载的过程中，ClassLoader 会首先将加载任务委托给其父 ClassLoader，只有当父 ClassLoader 无法加载时，才会尝试自行加载。这种机制被称为双亲委派模型。文章通过自定义 ClassLoader 打破双亲委派模型的示例，解释了不同 ClassLoader 加载的类是互相隔离的，因为每个 ClassLoader 都有一个独立的 Dictionary 来存储已加载的类信息，从而保证了同一个 Class 文件在同一个 ClassLoader 中只会被加载一次。
最后，文章再次强调了理解类加载机制对于理解双亲委派模型的重要性，并提供了一些打破双亲委派模型的方法，例如设置启动参数 `-Djava.system.class.loader` 或使用 `Thread.setContextClassLoader()`。
怜星夜思：
2、文中提到了 InstanceKlass，它与 Class 对象之间有什么区别和联系？
3、如何利用类加载机制来实现热部署？
原文内容
阿里妹导读
一、前言
最近给一个非Java方向的朋友讲了下双亲委派模型，朋友让我写篇文章深度研究下JVM的ClassLoader，我确实也好久没写JVM相关的文章了，有点手痒痒，涂了皮炎平也抑制不住。
我在向朋友解释的时候是这么说的：双亲委派模型中，ClassLoader在加载类的时候，会先交由它的父ClassLoader加载，只有当父ClassLoader加载失败的情况下，才会尝试自己去加载。这样可以实现部分类的复用，又可以实现部分类的隔离，因为不同ClassLoader加载的类是互相隔离的。
不过贸然的向别人解释双亲委派模型是不妥的，如果在不了解JVM的类加载机制的情况下，又如何能很好的理解“不同ClassLoader加载的类是互相隔离的”这句话呢？所以为了理解双亲委派，最好的方式，就是先了解下ClassLoader的加载流程。
二、Java 类是如何被加载的
2.1 何时加载类
我们首先要清楚的是，Java类何时会被加载？
《深入理解Java虚拟机》给出的答案是：
1：遇到new、getstatic、putstatic 等指令时。
2：对类进行反射调用的时候。
3：初始化某个类的子类的时候。
4：虚拟机启动时会先加载设置的程序主类。
5：使用JDK 1.7 的动态语言支持的时候。
其实要我说，最通俗易懂的答案就是：当运行过程中需要这个类的时候。
那么我们不妨就从如何加载类开始说起。
2.2 怎么加载类
利用ClassLoader加载类很简单，直接调用ClassLoder的loadClass（）方法即可，我相信大家都会，但是还是要举个栗子：
public class Test { public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException { Test.class.getClassLoader().loadClass("com.wangxiandeng.test.Dog"); } }
上面这段代码便实现了让ClassLoader去加载 “com.wangxiandeng.test.Dog” 这个类，是不是 so easy。但是JDK 提供的 API 只是冰山一角，看似很简单的一个调用，其实隐藏了非常多的细节，我这个人吧，最喜欢做的就是去揭开 API 的封装，一探究竟。
2.3 JVM 是怎么加载类的
JVM 默认用于加载用户程序的ClassLoader为AppClassLoader。
不过无论是什么ClassLoader，它的根父类都是java.lang.ClassLoader。
在上面那个例子中，loadClass（）方法最终会调用到ClassLoader.definClass1（）中，这是一个 Native 方法。
static native Class<?> defineClass1(ClassLoader loader, String name, byte[] b, int off, int len,
ProtectionDomain pd, String source);
Java_java_lang_ClassLoader_defineClass1（）
JNIEXPORT jclass JNICALL Java_java_lang_ClassLoader_defineClass1(JNIEnv *env, jclass cls, jobject loader, jstring name, jbyteArray data, jint offset, jint length, jobject pd, jstring source) { ...... result = JVM_DefineClassWithSource(env, utfName, loader, body, length, pd, utfSource); ...... return result; }
static jclass jvm_define_class_common(JNIEnv *env, const char *name, jobject loader, const jbyte *buf, jsize len, jobject pd, const char *source, TRAPS) { ...... ClassFileStream st((u1*)buf, len, source, ClassFileStream::verify); Handle class_loader (THREAD, JNIHandles::resolve(loader)); if (UsePerfData) { is_lock_held_by_thread(class_loader, ClassLoader::sync_JVMDefineClassLockFreeCounter(), THREAD); } Handle protection_domain (THREAD, JNIHandles::resolve(pd)); Klass* k = SystemDictionary::resolve_from_stream(class_name, class_loader, protection_domain, &st, CHECK_NULL); ......
return (jclass) JNIHandles::make_local(env, k->java_mirror());
}
上面这段逻辑主要就是利用 ClassFileStream 将要加载的class文件转成文件流，然后调用SystemDictionary::resolve_from_stream（），生成 Class 在 JVM 中的代表：Klass。对于Klass，大家可能不太熟悉，但是在这里必须得了解下。说白了，它就是JVM 用来定义一个Java Class 的数据结构。不过Klass只是一个基类，Java Class 真正的数据结构定义在 InstanceKlass 中。
class InstanceKlass: public Klass {protected:
Annotations* _annotations;
…
ConstantPool* _constants;
…
Array<jushort>* _inner_classes;
…
Array<Method*>* _methods;
Array<Method*>* _default_methods;
…
Array<u2>* _fields;
}
再回到上面的类加载流程中，这里调用了 SystemDictionary::resolve_from_stream（），将 Class 文件加载成内存中的 Klass。
resolve_from_stream（） 便是重中之重！主要逻辑有下面几步：
1：判断是否允许并行加载类，并根据判断结果进行加锁。
bool DoObjectLock = true; if (is_parallelCapable(class_loader)) { DoObjectLock = false; } ClassLoaderData* loader_data = register_loader(class_loader, CHECK_NULL); Handle lockObject = compute_loader_lock_object(class_loader, THREAD); check_loader_lock_contention(lockObject, THREAD); ObjectLocker ol(lockObject, THREAD, DoObjectLock);
允许并行加载的好处便是精细化了锁粒度，这样可以在同一时刻加载多个Class文件。
2：解析文件流，生成 InstanceKlass。
InstanceKlass* k = NULL;
k = KlassFactory::create_from_stream(st,
class_name,
loader_data,
protection_domain,
NULL, // host_klass
NULL, // cp_patches
CHECK_NULL);
SystemDictionary 是用来帮助保存 ClassLoader 加载过的类信息的。准确点说，SystemDictionary并不是一个容器，真正用来保存类信息的容器是 Dictionary，每个ClassLoaderData 中都保存着一个私有的 Dictionary，而 SystemDictionary 只是一个拥有很多静态方法的工具类而已。
我们来看看注册的代码：
if (is_parallelCapable(class_loader)) { InstanceKlass* defined_k = find_or_define_instance_class(h_name, class_loader, k, THREAD); if (!HAS_PENDING_EXCEPTION && defined_k != k) { // If a parallel capable class loader already defined this class, register 'k' for cleanup. assert(defined_k != NULL, "Should have a klass if there's no exception"); loader_data->add_to_deallocate_list(k); k = defined_k; } } else { define_instance_class(k, THREAD); }
-
如果已经加载过，那么就将当前线程刚刚加载的InstanceKlass加入待回收列表，并将 InstanceKlass* k 重新指向利用SystemDictionary查询到的 InstanceKlass。
-
如果没有查询到，那么就将刚刚加载的 InstanceKlass 注册到 ClassLoader的 Dictionary 中。
虽然并行加载不会锁住ClassLoader，但是会在注册 InstanceKlass 时对 SystemDictionary 加锁，所以不需要担心InstanceKlass 在注册时的并发操作。
如果禁止了并行加载，那么直接利用SystemDictionary将 InstanceKlass 注册到 ClassLoader的 Dictionary 中即可。
resolve_from_stream（）的主要流程就是上面三步，很明显，最重要的是第二步，从文件流生成InstanceKlass。
KlassFactory::create_from_stream（）方法，它的主要逻辑就是下面这段代码。
ClassFileParser parser(stream, name, loader_data, protection_domain, host_klass, cp_patches, ClassFileParser::BROADCAST, // publicity level CHECK_NULL);
InstanceKlass* result = parser.create_instance_klass(old_stream != stream, CHECK_NULL);
2.4 不得不说的ClassFileParser
ClassFileParser 加载Class文件的入口便是 create_instance_klass（）。顾名思义，用来创建InstanceKlass的。
create_instance_klass（）主要就干了两件事：
(1)：为 InstanceKlass 分配内存
InstanceKlass* const ik = InstanceKlass::allocate_instance_klass(*this, CHECK_NULL);
fill_instance_klass(ik, changed_by_loadhook, CHECK_NULL);
内存分配代码如下：
const int size = InstanceKlass::size(parser.vtable_size(), parser.itable_size(), nonstatic_oop_map_size(parser.total_oop_map_count()), parser.is_interface(), parser.is_anonymous(), should_store_fingerprint(parser.is_anonymous())); ClassLoaderData* loader_data = parser.loader_data(); InstanceKlass* ik; ik = new (loader_data, size, THREAD) InstanceKlass(parser, InstanceKlass::_misc_kind_other);
然后便 new 了一个新的 InstanceKlass 对象。这里并不是简单的在堆上分配内存，要注意的是Klass 对 new 操作符进行了重载：
void* Klass::operator new(size_t size, ClassLoaderData* loader_data, size_t word_size, TRAPS) throw() { return Metaspace::allocate(loader_data, word_size, MetaspaceObj::ClassType, THREAD); }
MetaWord* Metaspace::allocate(ClassLoaderData* loader_data, size_t word_size, MetaspaceObj::Type type, TRAPS) { ...... MetadataType mdtype = (type == MetaspaceObj::ClassType) ? ClassType : NonClassType; ...... MetaWord* result = loader_data->metaspace_non_null()->allocate(word_size, mdtype); ...... return result; }
分配完 InstanceKlass 内存后，便要着手第二件事，分析Class文件，填充 InstanceKlass 内存区域。
ClassFileParser 在构造的时候就会开始分析Class文件，所以fill_instance_klass（）中只需要填充即可。
java_lang_Class::create_mirror（）
创建 InstanceKlass 在Java 层的 Class 对象。
void ClassFileParser::fill_instance_klass(InstanceKlass* ik, bool changed_by_loadhook, TRAPS) { ..... ik->set_class_loader_data(_loader_data); ik->set_nonstatic_field_size(_field_info->nonstatic_field_size); ik->set_has_nonstatic_fields(_field_info->has_nonstatic_fields); ik->set_static_oop_field_count(_fac->count[STATIC_OOP]); ik->set_name(_class_name); ......
java_lang_Class::create_mirror(ik,
Handle(THREAD, _loader_data->class_loader()),
module_handle,
_protection_domain,
CHECK);
}
三、再谈双亲委派
如果你耐心的看完了上面的源码分析，你一定对 “不同ClassLoader加载的类是互相隔离的” 这句话的理解又上了一个台阶。
我们总结下：每个ClassLoader都有一个 Dictionary 用来保存它所加载的InstanceKlass信息。并且，每个 ClassLoader 通过锁，保证了对于同一个Class，它只会注册一份 InstanceKlass 到自己的 Dictionary 。
正式由于上面这些原因，如果所有的 ClassLoader 都由自己去加载 Class 文件，就会导致对于同一个Class文件，存在多份InstanceKlass，所以即使是同一个Class文件，不同InstanceKlasss 衍生出来的实例类型也是不一样的。
举个栗子，我们自定义一个 ClassLoader，用来打破双亲委派模型：
public class CustomClassloader extends URLClassLoader {public CustomClassloader(URL urls) {
super(urls);
}
@Override
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
if (name.startsWith(“com.wangxiandeng”)) {
return findClass(name);
}
return super.loadClass(name, resolve);
}
}
public class Test {public static void main(String args) throws Exception {
URL url = new URL[1];
url[0] = Thread.currentThread().getContextClassLoader().getResource(“”);CustomClassloader customClassloader = new CustomClassloader(url);
Class clazz = customClassloader.loadClass(“com.wangxiandeng.Student”);
Student student = (Student) clazz.newInstance();
}
}
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException:
com.wangxiandeng.Student cannot be cast to com.wangxiandeng.Student
为什么呢？
因为实例化的Student对象所属的 InstanceKlass 是由CustomClassLoader加载生成的，而我们要强转的类型Student.Class 对应的 InstanceKlass 是由系统默认的ClassLoader生成的，所以本质上它们就是两个毫无关联的InstanceKlass，当然不能强转。
有同学问到：为什么“强转的类型Student.Class 对应的 InstanceKlass 是由系统默认的ClassLoader生成的”？
其实很简单，我们反编译下字节码：
public static void main(java.lang.String[]) throws java.lang.Exception; descriptor: ([Ljava/lang/String;)V flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC Code: stack=4, locals=5, args_size=1 0: iconst_1 1: anewarray #2 // class java/net/URL 4: astore_1 5: aload_1 6: iconst_0 7: invokestatic #3 // Method java/lang/Thread.currentThread:()Ljava/lang/Thread; 10: invokevirtual #4 // Method java/lang/Thread.getContextClassLoader:()Ljava/lang/ClassLoader; 13: ldc #5 // String 15: invokevirtual #6 // Method java/lang/ClassLoader.getResource:(Ljava/lang/String;)Ljava/net/URL; 18: aastore 19: new #7 // class com/wangxiandeng/classloader/CustomClassloader 22: dup 23: aload_1 24: invokespecial #8 // Method com/wangxiandeng/classloader/CustomClassloader."<init>":([Ljava/net/URL;)V 27: astore_2 28: aload_2 29: ldc #9 // String com.wangxiandeng.Student 31: invokevirtual #10 // Method com/wangxiandeng/classloader/CustomClassloader.loadClass:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Class; 34: astore_3 35: aload_3 36: invokevirtual #11 // Method java/lang/Class.newInstance:()Ljava/lang/Object; 39: checkcast #12 // class com/wangxiandeng/Student 42: astore 4 44: return
#12 = Class #52 // com/wangxiandeng/Student
HotSpot 目前有三种字节码执行引擎，目前采用的是模板解释器。
早期的HotSpot采用的是字节码解释器。模板解释器对于指令的执行都是用汇编写的，而字节码解释器采用的C++进行的翻译，为了看起来比较舒服，我们就不看汇编了，直接看字节码解释器就行了。如果你的汇编功底很好，当然也可以直接看模板解释器。
废话不多说，我们来看看字节码解释器对于checkcast的实现。
代码在 bytecodeInterpreter.cpp 中：
CASE(_checkcast): if (STACK_OBJECT(-1) != NULL) { VERIFY_OOP(STACK_OBJECT(-1)); // 拿到 checkcast 指令后的操作数，本例子中即 Student.Class 在常量池中的索引：#12 u2 index = Bytes::get_Java_u2(pc+1);// 如果常量池还没有解析，先进行解析，即将常量池中的符号引用替换成直接引用，
//此时就会触发Student.Class 的加载
if (METHOD->constants()->tag_at(index).is_unresolved_klass()) {
CALL_VM(InterpreterRuntime::quicken_io_cc(THREAD), handle_exception);
}
// 获取上一步系统加载的Student.Class 对应的 InstanceKlass
Klass* klassOf = (Klass*) METHOD->constants()->resolved_klass_at(index);
// 获取要强转的对象的实际类型，即我们自己手动加载的Student.Class 对应的 InstanceKlass
Klass* objKlass = STACK_OBJECT(-1)->klass(); // ebx
// 现在就比较简单了，直接看看上面的两个InstanceKlass指针内容是否相同
// 不同的情况下则判断是否存在继承关系
if (objKlass != klassOf && !objKlass->is_subtype_of(klassOf)) {
// Decrement counter at checkcast.
BI_PROFILE_SUBTYPECHECK_FAILED(objKlass);
ResourceMark rm(THREAD);
char* message = SharedRuntime::generate_class_cast_message(
objKlass, klassOf);
VM_JAVA_ERROR(vmSymbols::java_lang_ClassCastException(), message, note_classCheck_trap);
}
// Profile checkcast with null_seen and receiver.
BI_PROFILE_UPDATE_CHECKCAST(/null_seen=/false, objKlass);
} else {
// Profile checkcast with null_seen and receiver.
BI_PROFILE_UPDATE_CHECKCAST(/null_seen=/true, NULL);
}
双亲委派的好处是尽量保证了同一个Class文件只会生成一个InstanceKlass，但是某些情况，我们就不得不去打破双亲委派了，比如我们想实现Class隔离的时候。
解答一个问题：
// 如果常量池还没有解析，先进行解析，即将常量池中的符号引用替换成直接引用，
//此时就会触发Student.Class 的加载
if (METHOD->constants()->tag_at(index).is_unresolved_klass()) {
CALL_VM(InterpreterRuntime::quicken_io_cc(THREAD), handle_exception);
}
请问，为何这里会重新加载Student.Class？jvm是不是有自己的class加载链路，然后系统循着链路去查找class是否已经被加载？那该怎么把自定义的CustomClassloader 加到这个查询链路中去呢？
设置启动参数java -Djava.system.class.loader
利用Thread.setContextClassLoder
这里就有点技巧了，看下代码：
public class Test {
public static void main(String args) throws Exception {
URL url = new URL[1];
url[0] = Thread.currentThread().getContextClassLoader().getResource(“”);
final CustomClassloader customClassloader = new CustomClassloader(url);
Thread.currentThread().setContextClassLoader(customClassloader);
Class clazz = customClassloader.loadClass(“com.wangxiandeng.ClassTest”);
Object object = clazz.newInstance();
Method method = clazz.getDeclaredMethod(“test”);
method.invoke(object);
}
}
public class ClassTest {public void test() throws Exception{
Class clazz = Thread.currentThread().getContextClassLoader().loadClass(“com.wangxiandeng.Student”);
Student student = (Student) clazz.newInstance();
System.out.print(student.getClass().getClassLoader());
}
}
四、总结
写完这篇文章，手也不痒了，甚爽！这篇文章从双亲委派讲到了Class文件的加载，最后又绕回到双亲委派，看似有点绕，其实只有理解了Class的加载机制，才能更好的理解类似双亲委派这样的机制，否则只死记硬背一些空洞的理论，是无法起到由内而外的理解的。