JVM 类加载器的工作原理

JVM 类加载器的工作原理

类加载器(ClassLoader)是一个用于加载类文件的子系统,负责将字节码文件(.class 文件)加载到 JVM 中。Java 类加载器允许 Java 应用程序在运行时动态地加载、链接和初始化类。

2. 类加载器的工作过程

JVM 类加载过程主要包括以下三个阶段:

  1. 加载(Loading)

    • 搜索并加载类文件:类加载器通过类名查找相应的 .class 文件,并将其读取到内存中。
    • 生成 Class 对象:将读取到的字节码转换成 JVM 能够识别的 Class 对象。
  2. 链接(Linking)

    • 验证(Verification):确保字节码文件的正确性和安全性,包括检查字节码格式是否正确,操作码是否正确等。
    • 准备(Preparation):为类的静态变量分配内存,并设置默认初始值。
    • 解析(Resolution):将符号引用转换为直接引用。
  3. 初始化(Initialization)

    • 执行类构造器 <clinit> 方法,这是由编译器自动生成的,用于初始化类的静态变量和静态代码块。

3. 类加载器的类型

JVM 中有几种类型的类加载器,每种类加载器有其特定的职责:

  1. 引导类加载器(Bootstrap ClassLoader)

    • 这是 JVM 自带的类加载器,用于加载 Java 核心库(即 JDK 安装目录下的 jre/lib/rt.jar 文件)。
  2. 扩展类加载器(Extension ClassLoader)

    • 加载位于 jre/lib/ext 目录中的类库或通过 java.ext.dirs 系统属性指定的类库。
  3. 应用程序类加载器(Application ClassLoader)

    • 加载应用程序的类路径(classpath)下的类文件,是用户自定义类加载的默认类加载器。
  4. 自定义类加载器(Custom ClassLoader)

    • 用户可以通过继承 ClassLoader 类并重写其方法来定义自己的类加载器。

双亲委派模型

Java 的类加载器采用双亲委派模型(Parent Delegation Model),其核心思想是:某个类加载器在加载类时,首先将类加载请求委托给父类加载器,只有在父类加载器无法完成加载时,才尝试自己加载。这一模型可以有效避免类的重复加载,确保 Java 核心类库的安全性。

双亲委派模型的工作流程

  1. 类加载请求:当应用程序需要使用一个类时,类加载器接收到该类的加载请求。
  2. 委派父加载器:当前类加载器首先将加载请求委派给它的父加载器。
  3. 递归检查:父加载器再将请求委派给它的父加载器,依次递归,直到到达引导类加载器。
  4. 加载类
    • 父加载器加载成功:如果父加载器能够找到并加载该类,则直接返回该类的 Class 对象。
    • 父加载器加载失败:如果父加载器无法加载该类,则返回给子加载器,由子加载器尝试加载。

双亲委派模型的好处

  1. 保证核心类库的安全性:通过双亲委派机制,Java 核心类库(如 java.lang.Object)由引导类加载器统一加载,避免了核心类库被篡改的风险。
  2. 避免类的重复加载:通过委派机制,可以避免同一个类被多个类加载器重复加载,从而减少内存消耗和潜在的类冲突问题。
  3. 模块化和灵活性:支持不同类加载器加载不同模块,提高了系统的模块化和灵活性。

双亲委派模型的实现

Java 类加载器通过以下几个类和方法实现双亲委派模型:

  • ClassLoader 类:Java 提供了一个抽象类 ClassLoader,所有类加载器都需要继承这个类。
  • loadClass 方法ClassLoader 类的核心方法之一,用于加载类。默认实现了双亲委派模型。
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// 检查类是否已经加载Class<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {try {// 委派父加载器加载类if (parent != null) {c = parent.loadClass(name, false);} else {c = findBootstrapClassOrNull(name);}} catch (ClassNotFoundException e) {// 父加载器未找到类}// 当前加载器尝试加载类if (c == null) {c = findClass(name);}}if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}
}

双亲委派模型的实例

假设有一个自定义类加载器 CustomClassLoader,其父类加载器为系统类加载器。

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {public CustomClassLoader(ClassLoader parent) {super(parent);}@Overridepublic 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 name) {// 自定义加载类文件字节码的逻辑return null;}
}

在加载类时,CustomClassLoader 会首先将加载请求委派给父加载器(系统类加载器),如果系统类加载器无法找到该类,才会使用 findClass 方法加载。

参考链接

  • Java 官方文档 - 类加载器

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