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《深入理解JVM》实战笔记（二）：类加载机制与类加载器

news 来源：原创 2025/5/13 6:07:25

序言

Java 语言的强大之处之一在于其动态加载的能力，使得 Java 程序可以在运行时加载新的类，而不需要在编译时确定所有的类信息。这一切都离不开 JVM 的类加载机制。本篇博客将详细探讨 JVM 的类加载过程以及类加载器的工作原理，帮助你更深入地理解 Java 的动态性和可扩展性。

1. 类加载机制概述

在 Java 语言中，类的生命周期主要包括加载（Loading）、链接（Linking）和初始化（Initialization）三个阶段。JVM 通过类加载器（ClassLoader）来完成这个过程，使 Java 具有动态加载和模块化的特性。

1.1 类的生命周期

一个类从被加载到 JVM，到最终被卸载，经历了如下几个阶段：

加载（Loading）：JVM 通过类加载器读取 class 文件，并生成 java.lang.Class 对象。
链接（Linking）：
- 验证（Verification）：确保 class 文件的字节码符合 JVM 规范，保证安全性。
- 准备（Preparation）：为类的静态变量分配内存，并初始化默认值（不包括赋值语句）。
- 解析（Resolution）：将常量池中的符号引用解析为直接引用。
初始化（Initialization）：执行类的静态初始化代码，即 static 变量赋值和 static 代码块。
使用（Using）：类被实例化、调用方法等。
卸载（Unloading）：当类不再被引用时，GC 可能会回收它（通常仅适用于自定义类加载器加载的类）。

2. 类加载过程详解

类加载是 JVM 将字节码数据从静态存储结构（如 class 文件）转换为运行时数据结构的过程。这个过程不仅包含简单的二进制读取，还需要完成复杂的校验、内存分配和符号解析等操作。下面将详细解析每个阶段的实现细节。

2.1 加载（Loading）

加载阶段是类加载的第一个环节，核心任务是通过全限定名（如 java.lang.String）获取类的二进制字节流，并将其转换为方法区的运行时数据结构，最终在堆中生成一个 java.lang.Class 对象作为访问入口。

关键步骤

获取二进制字节流：类加载器通过全限定名定位资源，可能来自文件系统、JAR 包、网络或动态生成（如动态代理）。
解析为方法区结构：将字节流代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构。
创建 Class 对象：在堆中创建该类的 Class 对象，作为程序访问方法区数据的接口。

触发条件

首次创建类的实例（new 关键字）。
访问类的静态变量或静态方法。
通过反射（如 Class.forName()）显式加载类。
子类初始化时触发父类的加载。

2.2 链接（Linking）

链接阶段分为三个子阶段：验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）。

2.2.1 验证（Verification）

验证确保字节码符合 JVM 规范且不会危害虚拟机安全，包含以下四个子阶段：

文件格式验证
- 检查魔数（0xCAFEBABE）是否合法，确认是否为有效的 class 文件。
- 检查主次版本号是否在当前 JVM 支持范围内。
- 检查常量池中的常量是否有不被支持的类型。
元数据验证
- 检查类是否有父类（除 java.lang.Object 外所有类必须有父类）。
- 检查父类是否被 final 修饰（若被 final 修饰则不能继承）。
- 确保字段、方法是否与父类冲突（如覆盖 final 方法）。
字节码验证
- 确保操作数栈的数据类型与指令兼容（如不会出现 int 入栈却按 long 处理）。
- 检查跳转指令是否指向合法位置（如不会跳转到方法体外的字节码）。
符号引用验证
- 检查符号引用能否找到对应的类、方法或字段。
- 确保访问权限合法（如 private 方法是否被外部类访问）。

2.2.2 准备（Preparation）

准备阶段为类的静态变量分配内存并设置初始值（零值）：

基本类型：int 初始化为 0，boolean 初始化为 false。
引用类型：初始化为 null。
例外：若静态变量被 final 修饰且在编译期已知（如 static final int VALUE = 123），则直接赋值为指定值。

2.2.3 解析（Resolution）

解析阶段将常量池中的符号引用替换为直接引用（内存地址偏移量或句柄）：

类/接口解析：若符号引用指向类，需先完成该类的加载。
字段解析：解析字段所属的类，并验证是否存在及权限。
方法解析：与方法表关联，检查方法是否存在及权限。
接口方法解析：类似方法解析，但需考虑接口的多继承特性。

注意：解析阶段可能在初始化之后触发（如动态绑定或 invokedynamic 指令）。

2.3 初始化（Initialization）

初始化阶段执行类的构造器 <clinit>() 方法，该方法由编译器自动生成，合并所有静态变量的赋值语句和静态代码块。

关键特性

线程安全：JVM 通过加锁确保 <clinit>() 只执行一次。
顺序性：父类的 <clinit>() 优先于子类执行。
主动触发：只有以下情况会触发初始化（加载和链接可能提前完成）：
- new、getstatic、putstatic、invokestatic 指令。
- 反射调用类时（如 Class.forName("MyClass")）。
- 主类（包含 main() 方法的类）在启动时立即初始化。

示例

public class Example {
    static int a = 1;         // 准备阶段 a=0 → 初始化阶段 a=1  
    static final int b = 2;   // 准备阶段直接赋值 b=2  
    static {
        System.out.println("Static block executed.");
    }
}

2.4 使用（Using）与卸载（Unloading）

使用阶段：类完成初始化后，可被用于创建对象、调用方法等。
卸载条件：
- 类的所有实例已被回收。
- 类的 Class 对象未被引用（如无反射持有）。
- 加载该类的 ClassLoader 实例已被回收。
注意：由启动类加载器（Bootstrap）加载的类通常不会被卸载。

3. JVM 类加载器（ClassLoader）

类加载器是 Java 实现动态加载的关键组件。它的主要作用是负责查找和加载类的字节码，并定义类对象。

3.1 类加载器的层级结构

JVM 的类加载器是分层委托模型（双亲委派机制），主要包括以下几种类加载器：

Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）
- 负责加载 JAVA_HOME/lib 目录下的 rt.jar（Java 核心类库，如 java.lang.*）。
- 由 C/C++ 语言实现，无法在 Java 代码中获取它的实例。
ExtClassLoader（扩展类加载器）
- 负责加载 JAVA_HOME/lib/ext/ 目录中的扩展类。
- 可通过 ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent() 获取。
AppClassLoader（应用类加载器）
- 负责加载应用程序的 classpath 目录下的类。
- ClassLoader.getSystemClassLoader() 返回的就是它。
自定义类加载器（用户自定义 ClassLoader）
- 通过继承 ClassLoader，可实现自定义的类加载逻辑。
- 适用于类热替换、动态插件、代码加密等场景。

类加载器层次结构：

Bootstrap ClassLoader  （引导类加载器，加载 Java 核心类库）
    ↓
ExtClassLoader  （扩展类加载器，加载 ext 目录下的类）
    ↓
AppClassLoader  （应用类加载器，加载 classpath 下的类）
    ↓
CustomClassLoader （自定义类加载器）

4. 双亲委派模型（Parent Delegation Model）

4.1 什么是双亲委派机制？

JVM 采用双亲委派机制来加载类，即先交给父类加载器加载，如果父类加载器找不到该类，才由当前类加载器加载。这个机制的流程如下：

一个类加载请求首先被交给父加载器处理。
如果父加载器找不到（即未加载过该类），则交给子加载器加载。
如果所有父加载器都找不到，才由当前类加载器尝试加载该类。

4.2 为什么要使用双亲委派？

避免类重复加载：保证 Java 核心类库不会被重复定义。
提高安全性：防止核心 API（如 java.lang.String）被恶意篡改。
减少类加载冲突：确保应用类可以安全地使用 JDK 核心类库。

4.3 破坏双亲委派的情况

某些场景下，开发者可能会打破双亲委派机制，例如：

OSGi 模块化系统：不同模块可能需要加载相同类的不同版本。
热部署框架（Tomcat、Spring Boot）：支持动态替换类，如 Web 容器的 WebAppClassLoader。
自定义类加载器：用于加密解密、动态代理等场景。

5. 自定义类加载器示例

自定义 ClassLoader 需要继承 ClassLoader 并重写 findClass() 方法：

import java.io.*;

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    private String classPath;

    public MyClassLoader(String classPath) {
        this.classPath = classPath;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] data = loadClassData(name);
        return defineClass(name, data, 0, data.length);
    }

    private byte[] loadClassData(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            String fileName = classPath + name.replace(".", "/") + ".class";
            InputStream input = new FileInputStream(fileName);
            ByteArrayOutputStream output = new ByteArrayOutputStream();
            int ch;
            while ((ch = input.read()) != -1) {
                output.write(ch);
            }
            input.close();
            return output.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException(name);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyClassLoader loader = new MyClassLoader("path/to/classes/");
        Class<?> clazz = loader.loadClass("com.example.MyClass");
        Object obj = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
        System.out.println(obj.getClass().getName());
    }
}