01. 类加载机制

jjjjjjava
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01. 什么是类加载机制

  • 先看一下java程序的执行流程图

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  • 有三个关键的器：Java编译器，类装载器，解释器。

    • .java源文件通过编译器编译后形成符合JVM标准的字节码文件。
    • 加载器将将字节码文件从外部加载进JVM中，并转化为JVM中类的运行时数据结构。
    • 然后是解释器：当执行程序时，我们找到方法区中的字节码文件，通过解释器转化为对应硬件平台的机器语言进行执行。

  • 好了，类加载就是Java程序执行的一个阶段。

02. 类加载过程

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  • Java的类加载过程按照加载 -> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化的顺序进行。

    • 加载：装载阶段类加载器将通过类的全限定名找到字节码文件（class 文件可以来自本地文件系统、JAR 包、网络等。），并加载到 JVM 方法区中，并生成类对象（这个类对象包含类的相关信息）。

      • 验证：确保类文件的结构和内容合法，符合JVM虚拟机的安全标准。

      • 准备：为类的静态变量在方法区中分配内存，并初始化为默认值（0, null, false等）。

      • 解析：将符号引用转换为直接引用。

      • 初始化：在这个阶段，JVM会执行一系列的静态初始化操作。具体包括：

        • 静态变量赋值：初始化类中的静态变量。
        • 静态代码块执行：执行类中的静态代码块。

03. 类的初始化

3.1 何时初始化？

  • 上面说到最后的类的初始化，那么请问类的初始化何时被触发？它遵循懒加载（Lazy Initialization）原则，即在类真正被使用时才进行初始化，通常主动使用有类和子类的实例化，访问静态变量，静态方法，反射，具体如下：

    • 类的实例化：当程序首次创建类的实例时（通过 new 关键字），类会被初始化。

      Example example = new Example();  // 触发类的初始化

      • 类的子类的实例化：如果子类初始化时，父类尚未初始化，则会先触发父类的初始化。

        class Child extends Example {}
Child child = new Child();  // 会先初始化父类 Example

      • 访问静态变量，静态方法时：当类的静态变量首次被访问时，JVM 会触发类的初始化。

        int value = Example.a;  // 静态变量触发类的初始化
Example.someStaticMethod();  // 静态方法触发类的初始化

      • 通过反射加载类时：使用反射 API（如 Class.forName("Example")）加载类时，主动使用了类的相关结构，因此触发了懒加载。

        Class<?> clazz = Class.forName("Example");  // 触发类的初始化

3.2 初始化顺序

  • 我们上面提到了类初始化阶段会执行一系列静态的初始化操作，那么实例部分呢？其会紧紧跟在静态部分后面。
  • 现在我们以一个子类为例，其初始化顺序分为静态部分和实例部分，先静态，后实例。
    • 静态部分（类加载阶段）：
      • 父类静态成员变量和静态代码块（按代码顺序执行）。
      • 子类静态成员变量和静态代码块（按代码顺序执行）。
    • 实例部分（对象创建阶段）：
      • 父类实例成员变量和实例代码块（按代码顺序执行）。
      • 父类构造方法（通过 super() 显式或隐式调用）。
      • 子类实例成员变量和实例代码块（按代码顺序执行）。
      • 子类构造方法。

04. 类加载器

  • 类装载器就是寻找类的静态字节码文件，将其加载进JVM方法区中的组件。它有两个核心点：唯一性和双亲委派模型。

4.1 类的唯一性

  • 唯一性是指：类的唯一性，也就是说类名与加载类的类加载器共同决定一个唯一的类。因此，即使两个类的字节码完全相同，如果它们由不同的类加载器加载，它们也被视为不同的类。

4.2 双亲委派模型

  • 双亲委派模型是指：每个类加载器在加载类时，都会首先把类加载请求委托给它的父类加载器，只有当父类加载器无法找到目标类时，子类加载器才会尝试自己去加载。

  • 那么都有哪些类加载器呢？

    • 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载核心类库（例如 java.lang.String、java.lang.System 等类），用C++实现，不在Java层面直接可见。

    • 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载扩展库（如lib/ext目录下的类）。

    • 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载应用的类路径（classpath）中的类，也是程序默认使用的类加载器。可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader() 方法直接获取。

  • 双亲委派模型的工作流程是什么样的呢？假设应用程序类加载器要加载类java.util.ArrayList，它的工作流程如下：

  • 应用程序类加载器接到加载请求，首先将请求委派给它的父类加载器（扩展类加载器）。

  • 扩展类加载器将请求委派给它的父类加载器（启动类加载器）。

  • 启动类加载器负责加载核心类库，找到java.util.ArrayList后成功加载，并返回结果。

  • 如果启动类加载器无法找到类（例如应用程序特定的类），委派链会逐级返回，直到应用程序类加载器最终尝试自己加载。

  • 这个模型确保了基础类（如Object类）只会被顶层加载器加载一次，避免类冲突问题。

4.3 自定义类加载器

  • 在某些场景下，开发者可能需要自定义类加载器，那么它要继承java.lang.ClassLoader并重写findClass()方法来实现类的加载逻辑。

    • 自定义类加载器有三个步骤：

      • 从指定的路径中读取.class文件

      • 将其转换为字节数组

      • 然后通过defineClass()方法将其定义为Java类，加载到JVM中。

    • 自定义类加载器的示例

      •     public class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;

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

        @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) {
            String fileName = classPath + className.replace(".", "/") + ".class";
            try {
                FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName);
                ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
                int b = 0;
                while ((b = fis.read()) != -1) {
                    baos.write(b);
                }
                return baos.toByteArray();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
                return null;
            }
        }
    }

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