类的加载顺序

如图所示。大多数情况下，类会按照图中给出的顺序进行加载。下面我们就来分别介绍下这个过程。

加载

加载的主要作用是将外部的 .class 文件，加载到 Java 的方法区内，你可以回顾一下我们在上一课时讲的内存区域图。加载阶段主要是找到并加载类的二进制数据，比如从 jar 包里或者 war 包里找到它们。

验证

肯定不能任何 .class 文件都能加载，那样太不安全了，容易受到恶意代码的攻击。验证阶段在虚拟机整个类加载过程中占了很大一部分，不符合规范的将抛出 java.lang.VerifyError 错误。像一些低版本的 JVM，是无法加载一些高版本的类库的，就是在这个阶段完成的。

准备

从这部分开始，将为一些类变量分配内存，并将其初始化为默认值。此时，实例对象还没有分配内存，所以这些动作是在方法区上进行的。
我们顺便看一道面试题。下面两段代码，code-snippet 1 将会输出 0，而 code-snippet 2 将无法通过编译。

解析

解析在类加载中是非常非常重要的一环，是将符号引用替换为直接引用的过程。这句话非常的拗口，其实理解起来也非常的简单。
符号引用是一种定义，可以是任何字面上的含义，而直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量。
直接引用的对象都存在于内存中，你可以把通讯录里的女友手机号码，类比为符号引用，把面对面和你吃饭的人，类比为直接引用。
解析阶段负责把整个类激活，串成一个可以找到彼此的网，过程不可谓不重要。那这个阶段都做了哪些工作呢？大体可以分为：

• 类或接口的解析
• 类方法解析
• 接口方法解析
• 字段解析

我们来看几个经常发生的异常，就与这个阶段有关。

• java.lang.NoSuchFieldError 根据继承关系从下往上，找不到相关字段时的报错。
• java.lang.IllegalAccessError 字段或者方法，访问权限不具备时的错误。
• java.lang.NoSuchMethodError 找不到相关方法时的错误。

解析过程保证了相互引用的完整性，把继承与组合推进到运行时。

初始化

如果前面的流程一切顺利的话，接下来该初始化成员变量了，到了这一步，才真正开始执行一些字节码。

类加载器

整个类加载过程任务非常繁重，虽然这活儿很累，但总得有人干。类加载器做的就是上面 5 个步骤的事。
如果你在项目代码里，写一个 java.lang 的包，然后改写 String 类的一些行为，编译后，发现并不能生效。JRE 的类当然不能轻易被覆盖，否则会被别有用心的人利用，这就太危险了。
那类加载器是如何保证这个过程的安全性呢？其实，它是有着严格的等级制度的。

常见的几个类加载器

首先，我们介绍几个不同等级的类加载器。

• Bootstrap ClassLoader
  这是加载器中的大 Boss，任何类的加载行为，都要经它过问。它的作用是加载核心类库，也就是 rt.jar、resources.jar、charsets.jar 等。当然这些 jar 包的路径是可以指定的，-Xbootclasspath 参数可以完成指定操作。
  这个加载器是 C++ 编写的，随着 JVM 启动。

• Extention ClassLoader
  扩展类加载器，主要用于加载 lib/ext 目录下的 jar 包和 .class 文件。同样的，通过系统变量 java.ext.dirs 可以指定这个目录。
  这个加载器是个 Java 类，继承自 URLClassLoader。

• App ClassLoader
  这是我们写的 Java 类的默认加载器，有时候也叫作 System ClassLoader。一般用来加载 classpath 下的其他所有 jar 包和 .class 文件，我们写的代码，会首先尝试使用这个类加载器进行加载。

• Custom ClassLoader
  自定义加载器，支持一些个性化的扩展功能。

双亲委派机制

关于双亲委派机制的问题面试中经常会被问到，你可能已经倒背如流了。
双亲委派机制的意思是除了顶层的启动类加载器以外，其余的类加载器，在加载之前，都会委派给它的父加载器进行加载。这样一层层向上传递，直到祖先们都无法胜任，它才会真正的加载。
打个比方。有一个家族，都是一些听话的孩子。孙子想要买一块棒棒糖，最终都要经过爷爷过问，如果力所能及，爷爷就直接帮孙子买了。
但你有没有想过，“类加载的双亲委派机制，双亲在哪里？明明都是单亲？”
我们还是用一张图来讲解。可以看到，除了启动类加载器，每一个加载器都有一个parent，并没有所谓的双亲。但是由于翻译的问题，这个叫法已经非常普遍了，一定要注意背后的差别。

一些自定义加载器  

案例一：tomcat

tomcat 通过 war 包进行应用的发布，它其实是违反了双亲委派机制原则的。简单看一下 tomcat 类加载器的层次结构。

        tomcat 是怎么打破双亲委派机制的呢？可以看图中的 WebAppClassLoader，它加载自己目录下的 .class 文件，并不会传递给父类的加载器。但是，它却可以使用 SharedClassLoader 所加载的类，实现了共享和分离的功能。 

        但是你自己写一个 ArrayList，放在应用目录里，tomcat 依然不会加载。它只是自定义的加载器顺序不同，但对于顶层来说，还是一样的。

案例二：SPI

        Java 中有一个 SPI 机制，全称是 Service Provider Interface，是 Java 提供的一套用来被第三方实现或者扩展的 API，它可以用来启用框架扩展和替换组件。
这个说法可能比较晦涩，但是拿我们常用的数据库驱动加载来说，就比较好理解了。在使用 JDBC 写程序之前，通常会调用下面这行代码，用于加载所需要的驱动类。

Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")

        这只是一种初始化模式，通过 static 代码块显式地声明了驱动对象，然后把这些信息，保存到底层的一个 List 中。这种方式我们不做过多的介绍，因为这明显就是一个接口编程的思路，没什么好奇怪的。
        但是你会发现，即使删除了 Class.forName 这一行代码，也能加载到正确的驱动类，什么都不需要做，非常的神奇，它是怎么做到的呢？
        我们翻开 MySQL 的驱动代码，发现了一个奇怪的文件。之所以能够发生这样神奇的事情，就是在这里实现的。
        路径：

mysql-connector-java-8.0.15.jar!/META-INF/services/java.sql.Driver

        里面的内容是：

com.mysql.cj.jdbc.Driver

        通过在 META-INF/services 目录下，创建一个以接口全限定名为命名的文件（内容为实现类的全限定名），即可自动加载这一种实现，这就是 SPI。
        SPI 实际上是“基于接口的编程＋策略模式＋配置文件”组合实现的动态加载机制，主要使用 java.util.ServiceLoader 类进行动态装载。 

        这种方式，同样打破了双亲委派的机制。

如何替换 JDK 的类

让我们回到本课时开始的问题，如何替换 JDK 中的类？比如，我们现在就拿 HashMap为例。
当 Java 的原生 API 不能满足需求时，比如我们要修改 HashMap 类，就必须要使用到 Java 的 endorsed 技术。我们需要将自己的 HashMap 类，打包成一个 jar 包，然后放到 -Djava.endorsed.dirs 指定的目录中。注意类名和包名，应该和 JDK 自带的是一样的。但是，java.lang 包下面的类除外，因为这些都是特殊保护的。
因为我们上面提到的双亲委派机制，是无法直接在应用中替换 JDK 的原生类的。但是，有时候又不得不进行一下增强、替换，比如你想要调试一段代码，或者比 Java 团队早发现了一个 Bug。所以，Java 提供了 endorsed 技术，用于替换这些类。这个目录下的 jar 包，会比 rt.jar 中的文件，优先级更高，可以被最先加载到。

整理自：

第03讲：大厂面试题：从覆盖 JDK 的类开始掌握类的加载机制