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Java 入门指南：JVM（Java虚拟机）—— Java 类加载器详解

article 2024/11/13 7:51:12

类加载器

类加载器（Class Loader）是 Java 虚拟机（JVM）的一部分，它的作用是将类的字节码文件（.class 文件）从磁盘或其他来源加载到 JVM 中。类加载器负责查找和加载类的字节码文件，并将其转化为 Class 对象。

类加载器从 JDK 1.0 就出现了，最初只是为了满足 Java Applet（已经被淘汰）的需要。后来，慢慢成为 Java 程序中的一个重要组成部分，赋予了 Java 类可以被动态加载到 JVM 中并执行的能力。

根据官方 API 文档的介绍：

类加载器是一个负责加载类的对象。ClassLoader 是一个抽象类。给定类的二进制名称，类加载器应尝试定位或生成构成类定义的数据。典型的策略是将名称转换为文件名，然后从文件系统中读取该名称的“类文件”。

每个 Java 类都有一个引用指向加载它的 ClassLoader。但数组类不是通过 ClassLoader 创建的，而是 JVM 在需要的时候自动创建的，数组类通过getClassLoader()方法获取 ClassLoader 的时候和该数组的元素类型的 ClassLoader 是一致的。

类加载器是一个负责加载类的对象，用于实现类加载过程中的加载这一步。
每个 Java 类都有一个引用指向加载它的 ClassLoader。
数组类不是通过 ClassLoader 创建的（数组类没有对应的二进制字节流），是由 JVM 直接生成的。

组成部分

在 Java 中，类加载器主要有三个层次：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这是最基础的类加载器，由 C++ 实现，通常表示为 null，并且没有父级，负责加载扩展目录下的 jar 包和系统类路径下的核心库（ %JAVA_HOME%/lib 目录下的 rt.jar、resources.jar、charsets.jar 等 jar 包和类）以及被 -Xbootclasspath 参数指定的路径下的所有类。

rt.jar：rt 代表“RunTime”，rt.jar 是 Java 基础类库，包含 Java doc 里面看到的所有的类的类文件。也就是说，我们常用内置库 java.xxx.* 都在里面，比如 java.util.*、java.io.*、java.nio.*、java.lang.*、java.sql.*、java.math.*。
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：由 Java 实现，负责加载 Java 默认扩展目录下的 jar 包（%JRE_HOME%/lib/ext 目录下的 jar 包和类以及被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径下的所有类）。
系统类加载器（System/App ClassLoader）：也称为应用程序类加载器，由 Java 实现，负责加载用户类路径（classpath）下的所有 jar 包和类。

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除了这三个内置的类加载器外，还可以自定义类加载器，通过继承 java.lang.ClassLoader 类的方式实现，以满足特殊的需求。例如，可以通过自定义类加载器来加载网络上的类，或者从数据库中加载类。

对于任意一个类，都需要由它的类加载器和这个类本身一同确定其在 JVM 中的唯一性。也就是说，如果两个类的加载器不同，即使两个类来源于同一个字节码文件，那这两个类就必定不相等（比如两个类的 Class 对象不 equals）。

ClassLoader

除了 BootstrapClassLoader 是 JVM 自身的一部分之外，其他所有的类加载器都是在 JVM 外部实现的，并且全都继承自 ClassLoader 抽象类。这样做的好处是用户可以自定义类加载器，以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。

每个 ClassLoader 可以通过 getParent() 获取其父 ClassLoader，如果获取到 ClassLoader 为 null 的话，那么该类是通过 BootstrapClassLoader 加载的。由于 BootstrapClassLoader 由 C++ 实现，由于这个 C++ 实现的类加载器在 Java 中是没有与之对应的类的，所以拿到的结果是 null。

public abstract class ClassLoader {
  ...
  // 父加载器
  private final ClassLoader parent;
  @CallerSensitive
  public final ClassLoader getParent() {
     //...
  }
  ...
}

下面是一个获取 ClassLoader 的示例：

public class PrintClassLoaderTree {

    public static void main(String[] args) {

        ClassLoader classLoader = PrintClassLoaderTree.class.getClassLoader();

        StringBuilder split = new StringBuilder("|--");
        boolean needContinue = true;
        while (needContinue){
            System.out.println(split.toString() + classLoader);
            if(classLoader == null){
                needContinue = false;
            }else{
                classLoader = classLoader.getParent();
                split.insert(0, "\t");
            }
        }
    }

}

输出结果：

|--sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
    |--sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@53bd815b
        |--null

可以看出：

自定义编写的 Java 类 PrintClassLoaderTree 的 ClassLoader 是 AppClassLoader；
AppClassLoader 的父 ClassLoader 是 ExtClassLoader；
ExtClassLoader 的父 ClassLoader 是 Bootstrap ClassLoader，因此输出结果为 null。

自定义类加载器

除了 BootstrapClassLoader 其他类加载器均由 Java 实现且全部继承自java.lang.ClassLoader。如果我们要自定义自己的类加载器，很明显需要继承 ClassLoader抽象类。

ClassLoader 类有两个关键的方法：

protected Class loadClass(String name, boolean resolve)：加载指定二进制名称的类，实现了双亲委派机制。name 为类的二进制名称，resolve 如果为 true，在加载时调用 resolveClass(Class<?> c) 方法解析该类。
protected Class findClass(String name)：根据类的二进制名称来查找类，默认实现是空方法。

官方 API 文档中写到：

建议 ClassLoader的子类重写 findClass(String name)方法而不是loadClass(String name, boolean resolve) 方法。

如果我们不想打破双亲委派模型，就需要重写 ClassLoader 类中的 findClass() 方法，无法被父类加载器加载的类最终会通过这个方法被加载。但是，如果想打破双亲委派模型则需要重写 loadClass() 方法。

实现自定义类加载器

以下是我们自行实现自定义类加载器的一个示例：

import java.io.*;

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {

    private String pathToBin;

    public CustomClassLoader(String pathToBin) {
        this.pathToBin = pathToBin;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            byte[] classData = loadClassData(name);
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException("Class " + name + " not found", e);
        }
    }

    private byte[] loadClassData(String name) throws IOException {
        String file = pathToBin + name.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        InputStream is = new FileInputStream(file);
        ByteArrayOutputStream byteSt = new ByteArrayOutputStream();
        int len = 0;
        while ((len = is.read()) != -1) {
            byteSt.write(len);
        }
        return byteSt.toByteArray();
    }
}

示例说明：

构造器：接受一个字符串参数，这个字符串指定了类文件的存放路径。
覆写 findClass 方法：当父类加载器无法加载类时，findClass 方法会被调用。在这个方法中，首先使用 loadClassData 方法读取类文件的字节码，然后调用 defineClass 方法来将这些字节码转换为 Class 对象。
loadClassData 方法：读取指定路径下的类文件内容，并将内容作为字节数组返回。

类加载器加载规则

JVM 启动的时候，并不会一次性加载所有的类，而是根据需要去动态加载。也就是说，大部分类在具体用到的时候才会去加载，这样对内存更加友好。

对于已经加载的类会被放在 ClassLoader 中。在类加载的时候，系统会首先判断当前类是否被加载过。已经被加载的类会直接返回，否则才会尝试加载。也就是说，对于一个类加载器来说，相同二进制名称的类只会被加载一次。

public abstract class ClassLoader {
  ...
  private final ClassLoader parent;
  // 由这个类加载器加载的类。
  private final Vector<Class<?>> classes = new Vector<>();
  // 由 JVM 调用，用此类加载器记录每个已加载类。
  void addClass(Class<?> c) {
        classes.addElement(c);
   }
  ...
}

类加载器工作过程

类加载器（Class Loader）在 Java 虚拟机（JVM）中的工作过程是一个复杂而精细的流程。类加载器不仅负责加载类的字节码文件，还要确保类的正确性和初始化。

JVM（Java虚拟机）——类的生命周期与加载过程

类加载器的工作过程可以分为以下几个主要阶段：

加载（Loading）：在加载阶段，类加载器负责读取类的二进制数据，并将其转化为 Class 对象。这一阶段包括以下几个步骤：

查找或获取类的二进制数据：类加载器会根据类的全限定名（例如 com.example.MyClass）查找并加载类的字节码文件。
生成 Class 对象：类加载器将字节码文件转化为 Class 对象，并存放在方法区中。

验证（Verification）：验证阶段是为了确保类文件的字节码符合 Java 虚拟机的规范，防止恶意代码危害虚拟机。验证阶段主要包括以下几个子阶段：
- 文件格式验证：确保字节流的格式符合 Class 文件格式规范。
- 元数据验证：确保类的元数据信息（如常量池中的常量）正确无误。
- 字节码验证：确保字节码指令符合 JVM 规范，不会导致非法操作。
- 符号引用验证：确保符号引用能正确解析到实际存在的类、接口、方法或字段。
准备（Preparation）：准备阶段主要是为类变量分配内存空间，并设置类变量的初始值。注意，这里的类变量指的是被 static 修饰的变量。实例变量则是在对象实例化时分配内存空间。
解析（Resolution）：解析阶段是将符号引用转换为直接引用的过程。符号引用指的是类名、接口名、方法名等字符串形式的引用，而直接引用则指向目标对象在内存中的地址。
初始化（Initialization）：初始化阶段是执行类构造器 (<clinit>) 方法的过程。在这个阶段，类中的静态变量会被赋予初始值，并执行静态块中的代码。初始化阶段还包括类中非静态方法的调用和类的实例化。