Java的类加载机制和类对象

在使用Java 语言开发时，Class Loader可能是一个不用关注的概念，但是在某些疑难问题的解决的时候，可能需要掌握相关的知识，比如笔者在这一篇遇到的问题： Spring Boot JPA 开发之Not an entity血案。 接下来就来全面的看一看Java的类加载机制。

一、类加载器（Class Loader）

类加载器是JVM的一部分，负责将类的字节码文件（.class）动态加载到内存中，并生成对应的java.lang.Class对象。Java采用分层类加载模型，主要有以下三类加载器：

1. Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）：
   • 职责：加载JVM核心类库（如java.lang.*），路径为<JAVA_HOME>/jre/lib。
   • 实现：由C/C++编写，是JVM的一部分，无Java类实例。
   • 特性：唯一没有父加载器的类加载器。
2. Extension ClassLoader（扩展类加载器）：
   • 职责：加载扩展目录（<JAVA_HOME>/jre/lib/ext）中的类。
   • 实现：由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，父加载器为Bootstrap。
3. Application ClassLoader（应用程序类加载器）：
   • 职责：加载用户类路径（-classpath或CLASSPATH环境变量）的类。
   • 实现：由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现，父加载器为Extension。
4. 自定义类加载器：
   • 场景：需隔离加载（如热部署）、动态加载网络资源等。
   • 实现：继承ClassLoader，重写findClass()方法。

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二、类加载机制

类加载过程分为加载、链接（验证、准备、解析）、初始化三个阶段：

1. 加载（Loading）：
   • 操作：查找字节码文件，读取到内存，生成Class对象。
   • 触发条件：首次使用类时（如new、调用静态方法等）。
2. 链接（Linking）：
   • 验证（Verification）：检查字节码合法性（格式、语义、安全性）。
   • 准备（Preparation）：为静态变量分配内存并赋默认值（如int初始化为0）。
   • 解析（Resolution）：将符号引用（类、方法名）转为直接引用（内存地址）。
3. 初始化（Initialization）：
   • 操作：执行静态变量赋值和静态代码块（按代码顺序执行）。
   • 线程安全：JVM保证初始化过程同步。

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三、双亲委派模型（Parent Delegation Model）

1. 机制：
   • 类加载器在加载类时，先将请求委派给父加载器。
   • 若父加载器无法完成（在自己的搜索范围内找不到类），子加载器才尝试加载。
2. 优点：
   • 安全性：防止核心类被篡改（如用户自定义java.lang.String无效）。
   • 避免重复：确保类全局唯一性（同一类由同一加载器加载）。
3. 打破双亲委派：
   • 场景：OSGi模块化、Tomcat隔离Web应用。
   • 方法：重写loadClass()逻辑（如优先自行加载）。

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四、类对象（Class Object）

1. 概念：
   • 每个类加载后，JVM为其生成一个Class对象，存储类的元数据（方法、字段、构造器等）。
   • 是反射（java.lang.reflect）操作的基础。
2. 获取方式：
   • 类名.class（如String.class）。
   • 对象.getClass()（如new String().getClass()）。
   • Class.forName("全限定类名")（动态加载，如Class.forName("java.util.ArrayList")）。
3. 应用：
   • 反射：通过Class对象实例化对象、调用方法、访问字段。
   • 动态代理：基于接口和Class对象生成代理类。

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五、关键代码示例

// 自定义类加载器
public class CustomClassLoader extends ClassLoader {@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {byte[] classData = loadClassData(name); // 从自定义路径读取字节码return defineClass(name, classData, 0, classData.length);}
}// 使用Class对象反射创建实例
Class<?> clazz = Class.forName("com.example.MyClass");
Object obj = clazz.newInstance();
Method method = clazz.getMethod("myMethod");
method.invoke(obj);

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六、常见问题

1. 不同类加载器加载的类是否相同？
   • 否：即使全限定名相同，不同加载器加载的类在JVM中视为不同类，导致instanceof和类型转换失败。
2. 何时触发类初始化？
   • new、静态方法调用、静态字段访问（非final）、反射调用Class.forName()（默认初始化）、子类初始化触发父类初始化等。
3. 如何实现热部署？
   • 自定义类加载器，每次重新加载类生成新Class对象，需注意旧实例与新类不兼容。

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