【深入分析Java ClassLoader】：优化类路径设置与加载顺序的4大方法

# 1. Java ClassLoader概述

## 1.1 Java ClassLoader简介

Java ClassLoader 是一种用于在运行时动态加载 Java 类的机制。它属于 Java 运行时环境的一部分，负责将Java字节码文件（.class文件）加载到Java虚拟机（JVM）中。类加载器的主要职责是将二进制数据解析成JVM内部的java.lang.Class对象。

## 1.2 类加载器的作用

ClassLoader 的核心作用是实现 Java 的“一次编写，到处运行”的特性。通过类加载器，Java能够将编译后的类文件在不同的平台和环境下加载和运行，无需为每个平台单独编译代码。

## 1.3 类加载器的重要性

在Java应用中，类加载器不仅负责加载类，还参与了类的链接和初始化过程。正确的理解和使用ClassLoader，对于解决类冲突、优化应用性能、实现热部署等方面至关重要。接下来的章节将深入探讨ClassLoader的理论基础以及如何在实际项目中进行优化和调整。

# 2. ClassLoader的理论基础

## 2.1 ClassLoader的体系结构

### 2.1.1 Bootstrap ClassLoader

Bootstrap ClassLoader，也称为启动类加载器，是Java类加载器体系中最顶层的加载器。它负责加载Java虚拟机的核心库，即`rt.jar`文件中的类。Bootstrap ClassLoader通常由原生代码实现，而不是Java代码，因此在Java中无法直接获取它的引用。

由于Bootstrap ClassLoader的特殊性，它的具体实现是与平台相关的，这意味着它依赖于具体的JVM实现。启动类加载器通常用于加载JRE的运行时类，而不在Java代码中直接使用。

### 2.1.2 Extension ClassLoader

Extension ClassLoader，也称为扩展类加载器，负责加载`%JAVA_HOME%/lib/ext`目录或者由系统属性`java.ext.dirs`指定位置中的类库。该类加载器在Sun JDK中是由`sun.misc.Launcher$ExtClassLoader`实现的。

扩展类加载器在类加载的双亲委派模型中扮演着“孩子”的角色，其父加载器是Bootstrap ClassLoader。扩展类加载器通常用于加载Java的扩展功能，如加密、压缩等。

### 2.1.3 System ClassLoader

System ClassLoader，也称为系统类加载器或者应用类加载器，是负责加载类路径（classpath）上指定的类库。在Sun JDK中，它由`sun.misc.Launcher$AppClassLoader`实现。

系统类加载器是开发者在编写Java代码时最常使用的类加载器。它加载应用程序的主类和第三方库。该类加载器在类加载的双亲委派模型中扮演着“孩子”的角色，其父加载器是Extension ClassLoader。

### 2.1.4 自定义ClassLoader

在Java中，除了上述三个内置的类加载器外，我们还可以根据需求实现自定义的ClassLoader。自定义ClassLoader可以用于实现复杂的类加载策略，比如：

- 热部署
- 模块化加载
- 加密字节码的动态加载

实现一个自定义ClassLoader时，通常需要继承`java.lang.ClassLoader`类，并重写`findClass`方法。自定义ClassLoader不仅能够帮助我们理解Java类加载机制的细节，还能在特定场景下提供额外的功能和灵活性。

## 2.2 类加载过程详解

### 2.2.1 加载阶段

类加载的第一步是加载阶段，它包括以下三个步骤：

1. **加载**：通过类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
2. **连接**：连接阶段是将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构。
3. **初始化**：初始化阶段是执行类构造器`<clinit>()`方法的过程。

在加载阶段，虚拟机需要完成以下几件事情：

- 通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。
- 将这个字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构。
- 在Java堆中生成一个代表这个类的`java.lang.Class`对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

这个阶段的字节流来源可以是：

- 文件系统
- 网络
- 压缩包
- 动态生成

### 2.2.2 链接阶段

链接阶段分为三个步骤：验证、准备、解析。

1. **验证**：确保被加载类的正确性，防止安全漏洞。验证阶段大致会完成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、符号引用验证。

2. **准备**：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值。这些内存都在方法区中分配。

3. **解析**：把类中的符号引用转换为直接引用。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七类符号引用进行。

### 2.2.3 初始化阶段

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，也是真正执行类中定义的Java程序代码(字节码)的阶段。在准备阶段，类变量已经被赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则是根据程序员通过程序指定的主观计划去初始化类变量和其他资源。

初始化阶段就是执行类构造器`<clinit>()`方法的过程。此方法不需要定义，是Javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而成。虚拟机会保证类构造器`<clinit>()`方法执行之前，父类的类构造器`<clinit>()`方法已经执行完毕。

## 2.3 ClassLoader的工作原理

### 2.3.1 双亲委派模型

Java虚拟机对类的加载使用的是双亲委派模型（Parent Delegation Model），也就是说除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当由自己的父类加载器加载。

双亲委派模型的工作过程如下：

1. 当一个类加载器收到了类加载的请求时，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加载器去完成，依次向上。
2. 如果父类加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类，则子加载器会尝试自己去加载这个类。

双亲委派模型可以保证Java核心库的类型安全，所有的Java应用都至少会引用`java.lang.Object`类，也就是说在运行期，`java.lang.Object`会被加载到Java虚拟机中；如果这个加载过程是由Java应用自己的类加载器所完成的，那么很可能就会在JVM中存在多个版本的`java.lang.Object`类，而且这些类之间还是不兼容的，相互之间不可见。

### 2.3.2 破坏双亲委派模型的情况

虽然双亲委派模型在JVM类加载机制中是非常重要的，但在某些情况下也会被破坏。一些特定的类加载器，例如：

- **OSGi：** 这个平台提供了一种面向服务的方式来进行类的动态加载，它允许应用动态地卸载和安装。在OSGi环境下，类加载器不再是扁平化的，而是分层的，并且可以有多个类加载器加载同一个类。
- **线程上下文加载器（Thread Context ClassLoader）：** 它允许父加载器委派加载任务给子加载器。在Java中，使用线程上下文加载器的典型例子是`java.sql.Driver`。

这