java虚拟机类加载机制

• 2020 年 5 月 25 日
• 筆記
• JVM

一、概述

1.1、概念

　　Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存， 并对数据进行校验、 转换解析和初始化，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型， 这个过程被称作虚拟机的类加载机制。

　　类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它。

1.2、加载class文件的途径

• 从本地系统中直接加载

• 通过网络下载.class文件

• 从zip，jar等归档文件中加载.class文件

• 从专有数据库中提取.class文件

• 将Java源文件动态编译为.class文件

二、类加载时机

　　一个类型从被加载到虚拟机内存中开始， 到卸载出内存为止， 它的整个生命周期将会经历加载（Loading） 、 验证（Verification） 、 准备（Preparation） 、 解析（Resolution） 、 初始化（Initialization） 、 使用（Using） 和卸载（Unloading） 七个阶段， 其中验证、 准备、 解析三个部分统称为连接（Linking）。这七个阶段（类的生命周期）如下图所示：

　　加载、 验证、 准备、 初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的， 类型的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始， 而解析阶段则不一定： 它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语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）

　　关于在什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段“加载”，并没有进行强制约束， 这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。 但是对于初始化阶段，有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、 验证、 准备自然需要在此之前开始） ：

1、遇到new、 getstatic、 putstatic或invokestatic这四条字节码指令时， 如果类型没有进行过初始化， 则需要先触发其初始化阶段。 能够生成这四条指令的典型Java代码场景有：

• 使用new关键字实例化对象的时候。
• 读取或设置一个类型的静态字段（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。
• 调用一个类型的静态方法的时候。

2、使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候， 如果类型没有进行过初始化， 则需要先触发其初始化。

3、当初始化类的时候， 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 7新加入的动态语言支持时， 如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、 REF_putStatic、 REF_invokeStatic、 REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄， 并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化， 则需要先触发其初始化。

6、当一个接口中定义了JDK 8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法） 时， 如果有这个接口的实现类发生了初始化， 那该接口要在其之前被初始化。

三、类加载过程

3.1、加载

　　加载”（Loading） 阶段是整个“类加载”（Class Loading） 过程中的一个阶段， 希望读者没有混淆，这两个看起来很相似的名词。 在加载阶段， Java虚拟机需要完成以下三件事情：

• 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
• 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。
• 在内存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。

　　非数组类型的加载阶段（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阶段。 加载阶段既可以使用Java虚拟机里内置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， 开发人员通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式（重写一个类加载器的findClass()或loadClass()方法） ， 实现根据自己的想法来赋予应用程序获取运行代码的动态性

　　对于数组类而言， 情况就有所不同， 数组类本身不通过类加载器创建， 它是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。 但数组类与类加载器仍然有很密切的关系， 因为数组类的元素类型（ElementType， 指的是数组去掉所有维度的类型） 最终还是要靠类加载器来完成加载

　　加载阶段结束后， Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了， 方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义， 会在Java堆内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口。

　　加载阶段与连接阶段的部分动作（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一部分， 这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序

3.2、验证

　　验证的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》 的全部约束要求， 保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全，验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作： 文件格式验证、 元数据验证、 字节码验证和符号引用验证。

3.2.1、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（举例说明）：

• 是否以魔数0xCAFEBABE开头。
• 主、 次版本号是否在当前Java虚拟机接受范围之内。
• 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UTF-8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

　　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（验证字节流是否符合Class文件格式的规范）。 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之后， 这段字节流才被允许进入Java虚拟机内存的方法区中进行存储， 所以后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构上进行的， 不会再直接读取、 操作字节流了

3.2.2、元数据验证

元数据验证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，验证举例如下：

• 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）

3.2.3、字节码验证

　　字节码验证主要目的是通过数据流分析和控制流分析， 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校验完毕以后， 这阶段就要对类的方法体（Class文件中的Code属性） 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行为，验证举例如下：

• 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， 例如不会出现类似于“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”这样的情况。
• 保证任何跳转指令都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总是有效的， 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

3.2.4、符号引用验证

　　符号引用验证的主要目的是确保解析行为能正常执行，符号引用验证行为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作是对类自身以外（常量池中的各种符号引用） 的各类信息进行匹配性校验， 通俗来说就是， 该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、 方法、 字段等资源。验证举例如下：

• 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、 方法的可访问性（private、 protected、 public、 <package>） 是否可被当前类访问。

　　验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用–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

3.3、准备

　　准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量， 被static修饰的变量） 分配内存并设置类变量初始值的阶段， 从概念上讲， 这些变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配， 但必须注意到方法区本身是一个逻辑上的区域， 在JDK 7及之前， HotSpot使用永久代来实现方法区时， 实现是完全符合这种逻辑概念的； 而在JDK 8及之后， 类变量则会随着Class对象一起存放在Java堆中， 这时候“类变量在方法区”就完全是一种对逻辑概念的表述了

注意点：

• 首先是这时候进行内存分配的仅包括类变量， 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Java堆中。
• 其次是这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值
• 对基本数据类型来说，对于类变量（static）和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。
• 对于同时被static和final修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。
• 对于引用数据类型reference来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即null。
• 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值

public static int value = 123;

　　如上变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123， 因为这时尚未开始执行任何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的动作要到类的初始化阶段才会被执行。基本数据类型的初始化的零值如下表所示：

　　但是如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性， 那在准备阶段变量值就会被初始化为ConstantValue属性所指定的初始值，如下代码所示：

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Con-stantValue的设置将value赋值为123

3.4、解析

　　解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，解析动作主要针对类或接口、 字段、 类方法、 接口方法、 方法类型、 方法句柄和调用点限定符这7类符号引用进行， 分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、 CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、 CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、 CONSTANT_MethodHandle_info、 CONSTANT_Dyna-mic_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info 8种常量类型。

　　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是已经加载到虚拟机内存当中的内容。 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Class文件格式中。

　　直接引用（Direct References） ： 直接引用是可以直接指向目标的指针、 相对偏移量或者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直接相关的， 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虚拟机的内存中存在。

3.5、初始化

　　Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码， 将主导权移交给应用程序。进行准备阶段时， 变量已经赋过一次系统要求的初始零值， 而在初始化阶段， 则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。 我们也可以从另外一种更直接的形式来表达： 初始化阶段就是执行类构造器<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， 编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的， 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。

　　<clinit>()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器<init>()方法） 不同， 它不需要显式地调用父类构造器， Java虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行前， 父类的<clinit>()方法已经执行完毕。 因此在Java虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类型肯定是java.lang.Object。

　　<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。执行接口的<clinit>()方法，不需要先执行父接口的<clinit>()方法，因为只有当父接口中定义的变量被使用时， 父接口才会被初始化。 此外， 接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>()方法

JVM初始化步骤：
1、假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类
2、假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类
3、假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句

类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种：

• 创建类的实例，也就是new的方式
• 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
• 调用类的静态方法
• 反射（如Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)）
• 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
• Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（Java Test），直接使用java.exe命令来运行某个主类

3.6、结束生命周期

在如下几种情况下，Java虚拟机将结束生命周期

• 执行了System.exit()方法
• 程序正常执行结束
• 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
• 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

四、类加载器

4.1、概述

　　对于任意一个类， 都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在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： 比较两个类是否“相等”， 只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义， 否则， 即使这两个类来源于同一个Class文件， 被同一个Java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。

首先来看个小例子：

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        System.out.println(loader);
        System.out.println(loader.getParent());
        System.out.println(loader.getParent().getParent());
    }
}

运行结果如下图所示：

 结果可以看出，并没有获取到ExtClassLoader的父Loader，原因是Bootstrap Loader（引导类加载器）是用C语言实现的，找不到一个确定的返回父Loader的方式，于是就返回null。

4.2、类加载器

4.2.1、类加载器的分类

　　站在Java虚拟机的角度来看， 只存在两种不同的类加载器： 一种是启动类加载器（BootstrapClassLoader） ， 这个类加载器使用C++语言实现[1]， 是虚拟机自身的一部分； 另外一种就是其他所有的类加载器， 这些类加载器都由Java语言实现， 独立存在于虚拟机外部， 并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader

　　站在Java开发人员的角度来看， 类加载器就应当划分得更细致一些。 Java一直保持着三层类加载器、 双亲委派的类加载架构， 尽管这套架构在Java模块化系统出现后有了一些调整变动， 但依然未改变其主体结构

　　绝大多数Java程序都会使用到以下3个系统提供的类加载器来进行加载，如下图所示：

　　启动类加载器（Bootstrap Class Loader） ：  这个类加载器负责加载存放在<JAVA_HOME>\lib目录， 或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的， 而且是Java虚拟机能够识别的（按照文件名识别， 如rt.jar、 tools.jar， 名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载） 类库加载到虚拟机的内存中。 启动类加载器无法被Java程序直接引用， 用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器去处理， 那直接使用null代替即可。

　　扩展类加载器（Extension Class Loader） ： 这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader中以Java代码的形式实现的。 它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中， 或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。 根据“扩展类加载器”这个名称， 就可以推断出这是一种Java系统类库的扩展机制， JDK的开发团队允许用户将具有通用性的类库放置在ext目录里以扩展Java SE的功能， 在JDK9之后， 这种扩展机制被模块化带来的天然的扩展能力所取代。 由于扩展类加载器是由Java代码实现的， 开发者可以直接在程序中使用扩展类加载器来加载Class文件

　　应用程序类加载器（Application Class Loader） ： 这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。 由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystemClassLoader()方法的返回值， 所以有些场合中也称它为“系统类加载器”。 它负责加载用户类路径（ClassPath） 上所有的类库， 开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。 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。

4.2.2、类的加载方式

 加载方式如下：

• 命令行启动应用时候由JVM初始化加载
• 通过Class.forName()方法动态加载
• 通过ClassLoader.loadClass()方法动态加载

实例如下：

public class loaderTest {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        ClassLoader loader = Test2.class.getClassLoader();
        System.out.println(loader);  //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        //使用ClassLoader.loadClass()来加载类，不会执行初始化块
        loader.loadClass("Test2"); //无输出
        //使用Class.forName()来加载类，默认会执行初始化块
         Class.forName("Test2"); // 静态初始化块执行了！
        //使用Class.forName()来加载类，并指定ClassLoader，初始化时不执行静态块
        Class.forName("Test2", false, loader); //无输出
    }
}

public class Test2 {
    static {
        System.out.println("静态初始化块执行了！");
    }
}

Class.forName()和ClassLoader.loadClass()区别

• Class.forName()：将类的.class文件加载到jvm中之外，还会对类进行解释，执行类中的static块；
• ClassLoader.loadClass()：只干一件事情，就是将.class文件加载到jvm中，不会执行static中的内容,只有在newInstance才会去执行static块。

注：Class.forName(name, initialize, loader)带参函数也可控制是否加载static块。并且只有调用了newInstance()方法采用调用构造函数，创建类的对象

4.2.3、JVM类的加载机制

• 全盘负责，当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖的和引用的其他Class也将由该类加载器负责载入，除非显示使用另外一个类加载器来载入
• 父类委托，先让父类加载器试图加载该类，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类
• 缓存机制，缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区寻找该Class，只有缓存区不存在，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象，存入缓存区。这就是为什么修改了Class后，必须重启JVM，程序的修改才会生效

4.3、双亲委派模型

　　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有自己的父类加载器。 不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承（Inheritance） 的关系来实现的， 而是通常使用组合（Composition） 关系来复用父加载器的代码。

4.3.1、双亲委派机制

　　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最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完成加载

1. 当AppClassLoader加载一个class时，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。
2. 当ExtClassLoader加载一个class时，它首先也不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader去完成。
3. 如果BootStrapClassLoader加载失败（例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到该class），会使用ExtClassLoader来尝试加载；
4. 若ExtClassLoader也加载失败，则会使用AppClassLoader来加载，如果AppClassLoader也加载失败，则会报出异常ClassNotFoundException。

4.3.2、双亲委派源码分析

public Class<?> loadClass(String name)throws ClassNotFoundException {
            return loadClass(name, false);
    }
    
    protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException {
            // 首先判断该类型是否已经被加载
            Class c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                //如果没有被加载，就委托给父类加载或者委派给启动类加载器加载
                try {
                    if (parent != null) {
                         //如果存在父类加载器，就委派给父类加载器加载
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                    //如果不存在父类加载器，就检查是否是由启动类加载器加载的类，通过调用本地方法native Class findBootstrapClass(String name)
                        c = findBootstrapClass0(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                 // 如果父类加载器和启动类加载器都不能完成加载任务，才调用自身的加载功能
                    c = findClass(name);
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }

　　先检查请求加载的类型是否已经被加载过， 若没有则调用父加载器的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。 假如父类加载器加载失败，抛出ClassNotFoundException异常的话， 才调用自己的findClass()方法尝试进行加载。

4.3.3、双亲委派的意义

• 保证Java中的类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，系统类防止内存中出现多份同样的字节码
• 保证Java程序安全稳定运行

　　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能够保证是同一个类。 反之， 如果没有使用双亲委派模型， 都由各个类加载器自行去加载的话， 如果用户自己也编写了一个名为java.lang.Object的类， 并放在程序的ClassPath中， 那系统中就会出现多个不同的Object类， Java类型体系中最基础的行为也就无从保证， 应用程序将会变得一片混乱。

4.4、自定义类加载器

　　通常情况下，我们都是直接使用系统类加载器。但是，有的时候，我们也需要自定义类加载器。比如应用是通过网络来传输 Java 类的字节码，为保证安全性，这些字节码经过了加密处理，这时系统类加载器就无法对其进行加载，这样则需要自定义类加载器来实现。自定义类加载器一般都是继承自 ClassLoader 类，从上面对 loadClass 方法来分析来看，我们只需要重写 findClass 方法即可

import java.io.*;

public class MyClassLoader  extends  ClassLoader {
    private String root;

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

    private byte[] loadClassData(String className) {
        String fileName = root + File.separatorChar
                + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        try {
            InputStream ins = new FileInputStream(fileName);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int bufferSize = 1024;
            byte[] buffer = new byte[bufferSize];
            int length = 0;
            while ((length = ins.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, length);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    public String getRoot() {
        return root;
    }

    public void setRoot(String root) {
        this.root = root;
    }

    public static void main(String[] args)  {

        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
        classLoader.setRoot("E:\\temp");

        Class<?> testClass = null;
        try {
            testClass = classLoader.loadClass("com.neo.classloader.Test2");
            Object object = testClass.newInstance();
            System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InstantiationException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

注意点：

• 这里传递的文件名需要是类的全限定性名称，即com.paddx.test.classloading.Test格式的，因为 defineClass 方法是按这种格式进行处理的。
• 最好不要重写loadClass方法，因为这样容易破坏双亲委托模式。
• 这类Test 类本身可以被 AppClassLoader 类加载，因此我们不能把 com/paddx/test/classloading/Test.class 放在类路径下。否则，由于双亲委托机制的存在，会直接导致该类由 AppClassLoader 加载，而不会通过我们自定义类加载器来加载

五、java模块化系统

　　在JDK 9中引入的Java模块化系统（Java Platform Module System， JPMS） 是对Java技术的一次重要升级， 为了能够实现模块化的关键目标——可配置的封装隔离机制， Java虚拟机对类加载架构也做出了相应的变动调整， 才使模块化系统得以顺利地运作。 JDK 9的模块不仅仅像之前的JAR包那样只是简单地充当代码的容器， 除了代码外， Java的模块定义还包含以下内容：

• 依赖其他模块的列表。
• 导出的包列表， 即其他模块可以使用的列表。
• 开放的包列表， 即其他模块可反射访问模块的列表。
• 使用的服务列表。
• 提供服务的实现列表

解决的问题：

1. 可配置的封装隔离机制首先要解决JDK 9之前基于类路径（ClassPath） 来查找依赖的可靠性问题。 此前， 如果类路径中缺失了运行时依赖的类型， 那就只能等程序运行到发生该类型的加载、 链接时才会报出运行的异常，如果启用了模块化进行封装， 模块就可以声明对其他模块的显式依赖， 这样Java虚拟机就能够在启动时验证应用程序开发阶段设定好的依赖关系在运行期是否完备， 如有缺失那就直接启动失败。
2. 可配置的封装隔离机制还解决了原来类路径上跨JAR文件的public类型的可访问性问题。 JDK 9中的public类型不再意味着程序的所有地方的代码都可以随意访问到它们， 模块提供了更精细的可访问性控制， 必须明确声明其中哪一些public的类型可以被其他哪一些模块访问， 这种访问控制也主要是在类加载过程中完成的

5.1、模块的兼容性

　　为了使可配置的封装隔离机制能够兼容传统的类路径查找机制， JDK 9提出了与“类路径”（ClassPath） 相对应的“模块路径”（ModulePath） 的概念。 简单来说， 就是某个类库到底是模块还是传统的JAR包， 只取决于它存放在哪种路径上。 只要是放在类路径上的JAR文件， 无论其中是否包含模块化信息（是否包含了module-info.class文件） ， 它都会被当作传统的JAR包来对待； 相应地， 只要放在模块路径上的JAR文件， 即使没有使用JMOD后缀， 甚至说其中并不包含module-info.class文件， 它也仍然会被当作一个模块来对待

　　模块化系统将按照以下规则来保证使用传统类路径依赖的Java程序可以不经修改地直接运行在JDK 9及以后的Java版本上， 即使这些版本的JDK已经使用模块来封装了Java SE的标准类库， 模块化系统的这套规则也仍然保证了传统程序可以访问到所有标准类库模块中导出的包。·

1. JAR文件在类路径的访问规则： 所有类路径下的JAR文件及其他资源文件， 都被视为自动打包在一个匿名模块（Unnamed Module） 里， 这个匿名模块几乎是没有任何隔离的， 它可以看到和使用类路径上所有的包、 JDK系统模块中所有的导出包， 以及模块路径上所有模块中导出的包。
2. 模块在模块路径的访问规则： 模块路径下的具名模块（Named Module） 只能访问到它依赖定义中列明依赖的模块和包， 匿名模块里所有的内容对具名模块来说都是不可见的， 即具名模块看不见传统JAR包的内容。
3. ·JAR文件在模块路径的访问规则： 如果把一个传统的、 不包含模块定义的JAR文件放置到模块路径中， 它就会变成一个自动模块（Automatic Module） 。 尽管不包含module-info.class， 但自动模块将默认依赖于整个模块路径中的所有模块， 因此可以访问到所有模块导出的包， 自动模块也默认导出自己所有的包。

5.2、模块化下的类加载器

首先， 是扩展类加载器（Extension Class Loader） 被平台类加载器（Platform Class Loader） 取代。这其实是一个很顺理成章的变动， 既然整个JDK都基于模块化进行构建（原来的rt.jar和tools.jar被拆分成数十个JMOD文件） ， 其中的Java类库就已天然地满足了可扩展的需求， 那自然无须再保留<JAVA_HOME>\lib\ext目录， 此前使用这个目录或者java.ext.dirs系统变量来扩展JDK功能的机制已经没有继续存在的价值了， 用来加载这部分类库的扩展类加载器也完成了它的历史使命。

其次， 平台类加载器和应用程序类加载器都不再派生自java.net.URLClassLoader， 如果有程序直接依赖了这种继承关系， 或者依赖了URLClassLoader类的特定方法， 现在启动类加载器、 平台类加载器、 应用程序类加载器全都继承于jdk.internal.loader.BuiltinClassLoader， 在BuiltinClassLoader中实现了新的模块化架构下类如何从模块中加载的逻辑， 以及模块中资源可访问性的处理。变化如下图所示：

jdk9之前版本的类加载框架

 jdk9以及之后版本的类加载框架

 所以，jdk9以及后面的版本的类加载的委派关系图如下所示：

　　最后， JDK 9中虽然仍然维持着三层类加载器和双亲委派的架构， 但类加载的委派关系也发生了变动。 当平台及应用程序类加载器收到类加载请求， 在委派给父加载器加载前， 要先判断该类是否能够归属到某一个系统模块中， 如果可以找到这样的归属关系， 就要优先委派给负责那个模块的加载器完成加载， 也许这可以算是对双亲委派的第四次破坏

参考：

《深入理解java虚拟机第三版》

//www.cnblogs.com/ityouknow/p/5603287.html