ClassLoader类加载过程

最新推荐文章于 2025-04-09 14:08:39 发布

稚⊙

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在 Java 中，类加载是 Java 虚拟机（JVM）将类的字节码文件从磁盘加载到内存中的过程。ClassLoader 是 Java 中负责类加载的类，它提供了加载类和资源的能力。

Java 类加载过程的基本步骤

Java 中的类加载过程通常遵循以下几个步骤：

加载（Loading）：
- ClassLoader 会从类路径（Classpath）或其他指定的地方查找字节码文件（.class 文件），并将其读取到内存中。
- 在这个阶段，JVM 会根据全限定类名（包括包名）来查找相应的类文件。
- ClassLoader 会将字节码文件转化为 Class 对象，表示加载的类。
验证（Verification）：
- 验证阶段是为了保证加载的类符合 JVM 规范，保证字节码的正确性和安全性。
- 验证内容包括：
  - 确保字节码文件没有被篡改。
  - 确保类中的代码不违反 Java 语言规范。
  - 确保代码在执行时不会造成类加载器的安全漏洞。
准备（Preparation）：
- 这个阶段，JVM 会为类的静态变量分配内存，并设置初始值（默认值）。静态变量在类加载时就会被初始化。
- 这个阶段只为类中的字段分配内存，并不会给它们赋值（除了 final 类型的静态变量，它们会被赋值）。
解析（Resolution）：
- 在这个阶段，JVM 会将类中的符号引用（如方法调用、字段访问等）转换为直接引用。
- 例如，方法调用时，JVM 会把符号引用解析成真实内存地址。
初始化（Initialization）：
- 初始化阶段是在类的加载完成后执行的，主要是执行类中的静态初始化块（static 块）和静态变量的赋值操作。
- 静态代码块在类加载完成后、类的实例化之前执行。
- 如果类有父类，那么父类会先进行初始化。

ClassLoader 的工作机制

Java 使用 ClassLoader 来负责类的加载。JVM 默认提供了一个类加载器——系统类加载器（System ClassLoader），但是你也可以自定义 ClassLoader 来加载类。Java 中有三种主要的类加载器：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：
- 启动类加载器是 JVM 的一部分，它负责加载 JRE/lib 目录下的核心类库（如 rt.jar，resources.jar）。
- 它是所有类加载器的父类加载器。
- 启动类加载器不会直接继承 ClassLoader 类，而是由 JVM 提供实现。
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：
- 扩展类加载器负责加载 JRE/lib/ext 目录下的类库。
- 它继承自 ClassLoader，并加载 JDK 扩展库中的类。
系统类加载器（System ClassLoader）：
- 系统类加载器通常由 ClassLoader.getSystemClassLoader() 获取。它负责加载类路径（Classpath）下的类。
- 该加载器负责加载用户自己编写的类文件及第三方库。

ClassLoader 的委托机制

Java 的类加载器采用了一种 委托模型，即当一个类加载器加载类时，它会先委托给父加载器加载。如果父加载器无法加载类，那么子加载器才会尝试加载该类。

父类委托机制：
- 类加载器会尝试从其父加载器开始加载类，直到 Bootstrap ClassLoader。
- 这种机制可以避免类的重复加载。例如，System ClassLoader 会先请求 Extension ClassLoader 加载，如果它加载失败，再由 System ClassLoader 加载。
- 这样做的好处是确保核心类库（如 rt.jar）不会被重复加载，也可以避免用户类与核心类库之间的冲突。

自定义 ClassLoader

Java 提供了 ClassLoader 类及其子类（如 URLClassLoader）来实现类加载器的自定义。通过继承 ClassLoader 类，可以实现自己的类加载逻辑。

例如，若你需要从网络中加载类，可以实现一个自定义的 ClassLoader：

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

    private byte[] loadClassData(String name) {
        // 自定义加载字节码的逻辑（比如从文件、网络等地方加载）
        return new byte[0];
    }
}

类加载的顺序

Bootstrap ClassLoader -> Extension ClassLoader -> System ClassLoader（根据类的来源逐级加载）。

类加载的生命周期

类的加载是延迟的，即 懒加载。当首次访问某个类时，类才会被加载。
类加载的过程是只发生一次的，一旦类被加载，它就会被缓存，并且在整个应用生命周期内保持在内存中，直到 JVM 退出。

类加载器的父子关系

类加载器之间存在父子关系，每个类加载器都有一个父类加载器。即使是自定义的类加载器，它也会遵循父子关系。
ClassLoader 类提供了 getParent() 方法，可以查看当前类加载器的父类加载器。

总结

类加载过程包括加载、验证、准备、解析和初始化阶段。
Java 的类加载器体系通过 委托机制 确保类的唯一性和安全性。
Java 提供了三个主要的类加载器：Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader 和 System ClassLoader，以及自定义类加载器的扩展。
类加载是懒加载的，且只会加载一次，之后会缓存类的字节码。