图解JVM-2. 类加载子系统

引言

在Java虚拟机（JVM）的架构中，类加载子系统扮演着至关重要的角色。它不仅是Java程序运行的基石，也是理解JVM工作原理的关键。本文将深入探讨JVM类加载子系统的工作原理、类加载器的层次结构、双亲委派机制以及实际应用中的注意事项，旨在为开发者提供全面的技术视角和实践指导。

一、JVM内存结构概述

JVM内存结构主要由三大核心模块组成：

类加载子系统：负责类的加载、链接和初始化
运行时数据区：包含方法区、堆、Java栈、本地方法栈、程序计数器
执行引擎：负责执行字节码

其中类加载子系统作为JVM的"物流系统"，承担着以下关键职责：

定位并加载.class文件
验证字节码的合法性
为类变量分配内存并初始化
将符号引用转换为直接引用
初始化Java类和接口

二、类加载器与类的加载过程

2.1 类加载器

类加载器的作用是将 Class 文件加载到内存中，Java 提供了不同类型的类加载器来完成这个任务。

2.2 类的加载过程

详细加载过程

加载阶段 ：
- 通过全限定类名获取二进制字节流
- 将字节流转化为方法区的运行时数据结构
- 在堆中生成对应的Class对象
链接阶段 ：
- 验证：确保字节码符合JVM规范
- 准备：为类变量分配内存并设置初始值
- 解析：将符号引用转换为直接引用
初始化 ：
- 执行类构造器()方法
- 真正执行类中的Java代码

2.3 类加载器分类

类加载器主要分为虚拟机自带的加载器和用户自定义的加载器。

虚拟机自带的加载器

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader） ：它是最顶层的类加载器，由 C++ 实现，负责加载 Java 的核心类库，如java.lang、java.util等。它没有父加载器，并且它加载的路径是由系统属性sun.boot.class.path指定的。
扩展类加载器（Extension ClassLoader） ：由 Java 代码实现，继承自java.lang.ClassLoader，负责加载 Java 的扩展类库，通常是jre/lib/ext目录下的类库。它的父加载器是启动类加载器。
应用程序类加载器（Application ClassLoader） ：也由 Java 代码实现，继承自java.lang.ClassLoader，负责加载用户类路径（classpath）上所指定的类库。它的父加载器是扩展类加载器，是 Java 程序中默认的类加载器。

加载器类型	加载路径	实现语言	可见性
启动类加载器	$JAVA_HOME/lib目录	C++	不可见
扩展类加载器	$JAVA_HOME/lib/ext目录	Java	可见
应用程序类加载器	ClassPath路径	Java	可见

用户自定义的加载器

用户可以通过继承java.lang.ClassLoader类来实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求，比如实现类的加密加载、从非标准位置加载类等。

实现方式：

继承java.lang.ClassLoader
重写findClass()方法
调用defineClass()生成Class对象

典型应用场景：

热部署
代码加密
模块化加载

自定义类加载器实现

java 复制代码

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) {
        byte[] classData = loadClassData(name);
        return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
    }

    private byte[] loadClassData(String className) {
        // 自定义加载逻辑
    }
}

三、ClassLoader的使用说明

ClassLoader类是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自ClassLoader（不包括启动类加载器）。

获取ClassLoader的途径

方式一：获取当前ClassLoader

java 复制代码

clazz.getClassLoader()

方式二：获取当前线程上下文的ClassLoader

java 复制代码

Thread.currentThread().getContextClassLoader()

方式三：获取系统的ClassLoader

java 复制代码

ClassLoader.getSystemClassLoader()

方式四：获取调用者的ClassLoader

java 复制代码

DriverManager.getCallerClassLoader()

获取类加载器

java 复制代码

public class ClassLoaderExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取当前类的类加载器
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderExample.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);

        // 获取系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);
    }
}

加载类

java 复制代码

import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class ClassLoadingExample {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException {
        // 获取系统类加载器
        ClassLoader classLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        // 加载指定类
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("java.util.Date");
        // 创建实例
        Object instance = clazz.newInstance();
        // 获取方法
        Method method = clazz.getMethod("toString");
        // 调用方法
        String result = (String) method.invoke(instance);
        System.out.println(result);
    }
}

四、双亲委派机制

4.1 工作原理

双亲委派机制是 Java 类加载器的一种工作模式，其核心思想是：当一个类加载器收到类加载请求时，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，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加载。

4.2 双亲委派机制的优势

安全性：防止核心类库被篡改，确保Java程序的安全性。
一致性：避免类的重复加载，确保类的唯一性。
灵活性：允许开发者通过自定义类加载器实现特定的加载策略。

三次破坏双亲委派的案例

JDBC SPI机制（线程上下文类加载器）
OSGi模块化加载
热部署实现

沙箱安全机制

自定义String类，但是在加载自定义String类的时候会率先使用引导类加载器加载，而引导类加载器在加载的过程中会先加载jdk自带的文件（rt.jar包中java\lang\String.class），报错信息说没有main方法，就是因为加载的是rt.jar包中的string类。这样可以保证对java核心源代码的保护，这就是沙箱安全机制。

五、类加载子系统的常见问题与解决方案

5.1 类加载器内存泄漏

类加载器在加载类时，会持有对Class对象的引用。如果类加载器本身没有被正确释放，可能导致内存泄漏。为了避免这一问题，开发者应确保类加载器的生命周期与应用的生命周期一致，并在不再需要时及时释放。

5.2 类加载冲突

在多类加载器环境下，可能会出现类加载冲突问题。例如，不同类加载器加载了同一个类的不同版本，导致类型转换异常。为了避免这一问题，开发者应确保类加载器的层次结构清晰，并遵循双亲委派机制。

5.3 类加载性能优化

类加载过程可能成为应用性能的瓶颈，尤其是在加载大量类文件时。为了优化类加载性能，开发者可以采用以下策略：

类缓存：将已加载的类缓存起来，避免重复加载。
并行加载：利用多线程并行加载类文件，提高加载效率。
延迟加载：在类真正使用时才进行加载，减少启动时间。

六、类加载子系统在面试中的常见问题

6.1 请解释双亲委派机制及其作用。

双亲委派机制是JVM类加载器的重要设计原则，它确保了类加载过程的安全性和一致性。通过双亲委派机制，类加载器首先将加载请求委派给父类加载器，只有当父类加载器无法完成加载任务时，子类加载器才会尝试自己加载。这种机制防止了核心类库被篡改，避免了类的重复加载，并允许开发者通过自定义类加载器实现特定的加载策略。

6.2 如何实现自定义类加载器？

实现自定义类加载器需要继承java.lang.ClassLoader类，并重写findClass方法。在findClass方法中，开发者可以定义自己的类加载逻辑，如从特定位置加载类文件、解密类文件等。以下是一个简单的自定义类加载器示例：

java 复制代码

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = loadClassData(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        }
        return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
    }

    private byte[] loadClassData(String className) {
        // 自定义类加载逻辑，如从文件系统或网络加载类文件
        return null;
    }
}

6.3 类加载器在热部署中的应用？

热部署是指在应用程序运行过程中，动态替换或加载新的类文件，而无需重启应用。自定义类加载器是实现热部署的关键技术之一。通过自定义类加载器，开发者可以在运行时加载新的类版本，从而实现应用的动态更新。例如，在Web应用中，可以通过自定义类加载器实现Servlet的热部署，提高开发效率。

6.4 如何判断两个class对象是否相同？

在JVM中表示两个class对象是否为同一个类存在两个必要条件：

类的完整类名必须一致，包括包名。
加载这个类的ClassLoader（指ClassLoader实例对象）必须相同。

换句话说，在JVM中，即使这两个类对象（class对象）来源同一个Class文件，被同一个虚拟机所加载，但只要加载它们的ClassLoader实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等的。

6.5 对类加载器的引用

JVM必须知道一个类型是由启动加载器加载的还是由用户类加载器加载的。如果一个类型是由用户类加载器加载的，那么JVM会将这个类加载器的一个引用作为类型信息的一部分保存在方法区中。当解析一个类型到另一个类型的引用的时候，JVM需要保证这两个类型的类加载器是相同的。

6.6类的主动使用和被动使用

Java程序对类的使用方式分为：主动使用和被动使用。

主动使用，又分为七种情况：

创建类的实例
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（比如：Class.forName（"com.atguigu.Test"））
初始化一个类的子类
Java虚拟机启动时被标明为启动类的类
JDK 7 开始提供的动态语言支持：
java.lang.invoke.MethodHandle实例的解析结果
REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic句柄对应的类没有初始化，则初始化

除了以上七种情况，其他使用Java类的方式都被看作是对类的被动使用，都不会导致类的初始化。

七、总结

JVM类加载子系统是Java程序运行的基石，理解其工作原理对于开发者来说至关重要。本文从类加载子系统的概述、类加载器的层次结构、双亲委派机制、实际应用、常见问题及解决方案等方面进行了深入探讨。希望通过本文的讲解，读者能够对JVM类加载子系统有更全面的理解，并在实际工作和面试中游刃有余。