類加載基礎概念
嘗試用5W1H模型來聊聊Java的類加載。
什麼是類加載？ 簡單的說，把字節碼加載到JVM中的過程，我們就稱之爲類加載。輸入是某個類的.class文件的字節流，輸出是JVM所管理的方法區中關於該類的信息。
爲什麼要有類加載？ 我的理解是爲了更好的支持動態特性，比如說熱部署，就是利用了JVM可以動態加載字節碼的機制實現的。
什麼時候進行類加載？ 總的來說，JVM需要某個類的信息，而又沒有的時候，就會觸發類加載。具體來說分了以下幾個場景：
- 遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic等指令時，如果類還沒有加載過就會觸發類加載；
- 子類進行類加載時，如果父類還沒有加載過，會先觸發父類的加載；
- 使用反射進行各種操作時，如果類還沒有加載過，會先進行類加載。
- 虛擬機啓動時，會首先加載含有main方法的類。
- 其他情況，這裏不是抄書，所以我們先不再枚舉。
誰來負責類加載？ 類加載有專門的類加載器來完成，類加載器又有等級森嚴的層級關係，爺爺輩的類加載器叫啓動類加載器，然後是爸爸輩，叫拓展類加載器，最後是應用程序類加載器。這裏涉及到一個類加載過程中各個類加載器是如何分工合作的，會在雙親委派模型中提到。
怎樣進行類加載？ 前面提到過類加載就是把類的字節碼塞進虛擬機的過程，那麼具體怎麼做呢？
首先，類加載器需要從某處獲得字節碼的二進制字節流。爲什麼不說字節碼文件？因爲除了從.class文件中獲取，還可以從壓縮包中解壓獲取，從網絡中獲取（比如Applet），甚至是動態生成一個（想想動態代理）都是可以的。這個動作，我們稱爲加載。（TO-DO 這個時候生成Class對象了嗎？）
接着，這個對象還不能直接使用，我們需要把針對它做各種校驗，比如字節碼本身是否合規，是否是該版本的虛擬機支持，如果都通過了，就需要給靜態變量開闢一塊內存區域，然後賦零值，這裏的零值指的是，當內存中沒有數據時，變量的值，比如對於int型來說零值是0，對於boolean型來說，零值是false。最後，如果這個類中存在符號引用，還需要把符號引用解析爲具體的內存地址。以上所有的動作，我們合併起來，稱之爲鏈接。
最後，終於到了給靜態字段賦值的時候了，無論是直接賦值還是通過靜態塊來完成，編譯器都會把這些賦值語句收集到一起，並且按程序書寫的順序，然後放在一個叫clinit的方法中，依次執行。這個動作，我們稱爲初始化。
類加載進階
以上是針對類加載機制的一個簡單介紹，下面我們進行一些更加高階的講解。
一種優雅的單例實現
實現單例有多種不同的寫法，也個有優缺點，其中“餓漢式”的寫法最爲簡潔，但缺點是一旦觸發了類加載就會同步進行實例化。觸發的機制前面的基礎篇中已經提到過，比如調用Resource中存在的任意一個static字段或者方法，就會觸發Resource類的類加載。
而下面的寫法通過引入靜態內部類完美的解決了這個問題。結合剛纔提到的類加載機制，說說這是爲什麼？
public class Resource {
private Resource() {}
public static Resource getInstance() {
return Holder.resource;
}
private static class Holder {
public static final Resource resource = new Resource();
}
}
關於雙親委派模型
剛纔介紹了幾個不同的類加載器，那麼他們之間是怎樣合作的？我們結合ClassLoader類中的loadClass方法來看：
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException {
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 首先，檢查該類是否已經被加載過
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
// 針對未加載過的類，先嚐試讓父類加載器進行加載
try {
// 啓動類加載器是通過C++實現的，只能表示爲null
// 因此這裏有2個邏輯分支
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
// 返回一個啓動類加載器加載的類，如果沒有則返回null
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
}
// 如果父類加載器無法加載，再嘗試自己加載
if (c == null) {
c = findClass(name);
}
}
// 其他實現細節...
return c;
}
}
通過自定義類加載器實現熱部署
熱部署指的是不需要重啓應用就可以動態的替換掉其中的一些功能，類加載器給我們提供了這樣一種實現的思路。
首先，我們說在Java的世界裏，通過一個類的全限定名 + 類加載器，可以唯一的定位一個類，也就是說，哪怕是同一個.class文件，通過不同的類加載器進入JVM，它們之間也是互相隔離的。
基於上述事實，當我們希望只是升級某個類的功能時，就可以通過這樣的機制來實現：爲該類實例化一個新的類加載器，並重新加載該類，最後替換掉之前舊的版本。
根據這樣的思路，我們可以定義一個MyTest類，擁有一個showVersion()方法，在第一個版本中會打印1.0，在第二個版本中會打印2.0，代表功能進行了升級。
public class MyTest {
public void showVersion() {
System.out.println("1.0版本");
}
}
接着，需要自定義一個類加載器，重寫部分方法，簡單來說，它會根據類的全限定名，在/tmp目錄下找對應的字節碼文件，針對特定的類，如MyTest，不經過雙親委派模型，直接加載進內存中。
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
// 指定那些類可以通過自定義類加載器的方式加載
private Set<String> classNamesLoadMyself = new HashSet<>();
public MyClassLoader(String ... classNames) {
for (String className : classNames) {
classNamesLoadMyself.add(className);
}
}
@Override
protected Class<?> findClass(String name) {
// 根據路徑和類名找到對應的文件並轉化爲相應的字節流
byte[] bytes = FileUtil.getClassByte("/tmp", name);
return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
}
@Override
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
// 如果是指定了要自定義類加載的類，則繞開雙親委派模型
if (classNamesLoadMyself.contains(name)) {
return findClass(name);
}
return super.loadClass(name);
}
}
最後，我們對這個自定義的類加載器做一個測試。
public class MyClassLoaderClient {
public static void main(String[] args) throws Exception {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 實例化一個類加載器
MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader("MyTest");
// 注意這裏不能直接強制類型轉化爲MyTest
Object myTest = myClassLoader.loadClass(className).newInstance();
myTest.getClass().getMethod("showVersion").invoke(myTest);
// 休眠1秒
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
}
}
}
在這個測試類中有一行註釋，不能將實例化的MyTest做強制類型轉換，請問這是爲什麼呢？