ClassLoader 中可能被忽视的细节

提到 ClassLoader，最先想到的一定是“双亲委派”了，加载类时优先使用父类加载器（parent classloader），不过除了这个委托模型之外，还有很多细节值得研究

加载时机

除了显示调用ClassLoader.loadClass 进行加载Class之外，JVM在下面的5种场景下，也会执行加载Class的操作（由JVM调用ClassLoader.loadClassInternal）

1. 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，以及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，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
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），虚拟机会先初始化这个主类。
5. 当使用JDK 1.7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进行过初始化，则需要先触发其初始化。

以上几种加载时机，统称为主动引用的方式；除此之外，其他引用类的方式都不会被触发Class的加载

比如下面这种情况，就不属于主动引用，不会进行类的加载

public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        //根据场景1，读取的是常量，不会造成类的初始化
        System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
    }
}
class ConstClass{

    static final String HELLOWORLD = "hello world";

    static {
        System.out.println("ConstClass init!");
    }
}

Class.forName

通过 Class.forName 的形式，可以进行进行类的加载，不过这里使用的是调用者（caller）的类加载器，也就是发起Class.forName 方法调用的类的类加载器

public static Class<?> forName(String className)
                throws ClassNotFoundException {
    //获取caller Class
    Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
    return forName0(className, true, ClassLoader.getClassLoader(caller), caller);
}

类加载器 的“传递性”

首先说一下两个概念，定义加载器（defining loader）和初始加载器（initiating loader）

现有一个ClassLoader A，如果通过A直接定义（而不是在A内委托parent classLoader加载）了一个Class X，那么称ClassLoader A是Class X的定义加载器，也称ClassLoader A定义了Class X
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当一个ClassLoader委托parent classLoader进行加载某类（loadClass），那么此时loadClass的classLoader和实际上defineClass的parent classLoader其实并不是同一个

现有一个ClassLoader B，通过ClassLoader B的loadClass方法加载Class Y，无论ClassLoader B是直接define了Class Y，还是委托parent classLoader 去define了Class Y，那么ClassLoader B都是Class Y的initiating loader。只不过如果Class Y是由ClassLoader B直接加载的，那么Class Y的定义加载器和初始加载器 都是ClassLoader B；如果是委托父类parent classLoader C加载的，那么定义加载器就是ClassLoader C，而初始加载器就是ClassLoader B

如下图所示，对于被加载的Class X来说，ClassLoader A就是初始加载器，而实际上ClassLoader A是委托了ClassLoader B去完成define的，所以ClassLoader B是定义加载器

使用Class.forName，这种形式加载的Class，实际上也是使用调用者（caller）的定义加载器

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对于上面提到的“主动引用”方式的加载Class，在加载机制上有一些细节需要注意：

• JVM在解释Class时实际上是“惰性加载”的，在解释执行的行遇到引用后才会解析引用的Class；比如在方法体中调用了某类，只有在执行到这一行时才会进行加载
• 对于同一个ClassLoader实例来说，在当前Class中没有加载过的Class，会使用发起引用类的定义加载器（而不是定义加载器）进行加载
• 如果一个ClassLoader中已经加载过某个Class，那么就不会再加载（连loadClass都不会调用）；比如Class A里引用了Class X和Class B，Class B里也引用了Class X，那么在执行Class B时，不会再发生loadClass(X)的操作

根据上面几个特点，自定义ClassLoader就比较简单了，比如Spring Boot 提供的可执行Jar（Executable Jar）的ClassLoader实现中：

只需要创建一个负责加载jar包内jar包的ClassLoader（org.springframework.boot.loader.JarLauncher），然后入口类中通过该ClassLoader去加载我们代码中的Main-Class即可，这样就可以做到加载jar包中的jar包了：

public void run() throws Exception {
    //通过前面设置的“负载加载jar包内jar包的ClassLoader”，去加载我们程序中的main类
    Class<?> mainClass = Thread.currentThread().getContextClassLoader()
        .loadClass(this.mainClassName);
    Method mainMethod = mainClass.getDeclaredMethod("main", String[].class);
    mainMethod.invoke(null, new Object[] { this.args });
}

参考

• https://blogs.oracle.com/sundararajan/understanding-java-class-loading
• https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-5.html
• 《深入理解Java虚拟机: JVM 高级特性与最佳实践(第2版)》 - 周志明 著