一、類加載過程

程序員編寫的Java源程序（.java文件）在經(jīng)過編譯器編譯之后被轉(zhuǎn)換成字節(jié)代碼（.class 文件），類加載器將.class文件中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中，將其放在方法區(qū)內(nèi)，然后在堆區(qū)創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class對(duì)象，用來(lái)封裝類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

類加載的最終產(chǎn)品是位于堆區(qū)中的Class對(duì)象，Class對(duì)象封裝了類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且向Java程序員提供了訪問方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的接口。

以下是舉例說明類加載過程：

二、類生命周期

類的生命周期包括：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化、使用、卸載7個(gè)階段。其中加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、初始化、卸載5個(gè)階段是按照這種順序按部就班的開始，而解析階段則不一定：某些情況下，可以在初始化之后再開始，這是為了支持Java語(yǔ)言的運(yùn)行時(shí)綁定（也稱為動(dòng)態(tài)綁定或晚期綁定，其實(shí)就是多態(tài)），例如子類重寫父類方法。

注意：這里寫的是按部就班的開始，而不是按部就班地進(jìn)行或完成，因?yàn)檫@些階段通常都是互相交叉混合式進(jìn)行的，通常會(huì)在一個(gè)階段執(zhí)行過程中調(diào)用、激活另外一個(gè)階段。

1、加載

加載階段會(huì)做3件事情：

• 通過一個(gè)類的全限定名來(lái)獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流。
• 將這個(gè)字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 在Java堆中生成一個(gè)代表這個(gè)類的java.lang.Class對(duì)象，作為對(duì)方法區(qū)中這些數(shù)據(jù)的訪問入口。

此處第一點(diǎn)并沒指明要從哪里獲取、怎樣獲取，因此這里給開發(fā)人員預(yù)留了擴(kuò)展空間。許多Java技術(shù)就建立在此基礎(chǔ)上，例如：

• 從ZIP包讀取，如JAR、WAR。
• 從網(wǎng)絡(luò)中獲取，這種場(chǎng)景最典型應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)用就是Applet。
• 運(yùn)行時(shí)計(jì)算生成，使用較多場(chǎng)景是動(dòng)態(tài)代理技術(shù)，如spring AOP。

加載階段完成后，虛擬機(jī)外部的二進(jìn)制字節(jié)流就按照虛擬機(jī)所需的格式存儲(chǔ)在方法區(qū)之中，而且在Java堆中也創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class類的對(duì)象，這樣便可以通過該對(duì)象訪問方法區(qū)中的這些數(shù)據(jù)。

2、驗(yàn)證

確保被加載的類的正確性，分為4個(gè)驗(yàn)證階段：

• 文件格式驗(yàn)證
• 元數(shù)據(jù)驗(yàn)證
• 字節(jié)碼驗(yàn)證
• 符號(hào)引用驗(yàn)證

驗(yàn)證階段非常重要的，但不是必須的，它對(duì)程序運(yùn)行期沒有影響，如果所引用的類經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，那么可以考慮采用-Xverifynone參數(shù)來(lái)關(guān)閉大部分的類驗(yàn)證措施，以縮短虛擬機(jī)類加載的時(shí)間。

3、準(zhǔn)備

為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并初始化默認(rèn)值，這些內(nèi)存是在方法區(qū)中分配，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 此處內(nèi)存分配的變量?jī)H包含類變量（static），而不包括實(shí)例變量，實(shí)例變量會(huì)隨著對(duì)象實(shí)例化被分配在java堆中。
• 這里默認(rèn)值是數(shù)據(jù)類型的默認(rèn)值（如0、0L、null、false），而不是代碼中被顯示的賦予的值。
• 如果類字段的字段屬性表中存在ConstatntValue屬性，即同時(shí)被final和static修飾，那么在準(zhǔn)備階段變量value就會(huì)被初始化為ConstValue屬性所指定的值。

4、解析

解析階段是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號(hào)引用替換為直接引用的過程，解析動(dòng)作主要針對(duì)類或接口、字段、類方法、接口方法、方法類型、方法句柄和調(diào)用點(diǎn)限定符7類符號(hào)引用進(jìn)行。符號(hào)引用就是一組符號(hào)來(lái)描述目標(biāo)，可以是任何字面量。

直接引用就是直接指向目標(biāo)的指針、相對(duì)偏移量或一個(gè)間接定位到目標(biāo)的句柄。

5、初始化

為類的靜態(tài)變量賦予正確的初始值，JVM負(fù)責(zé)對(duì)類進(jìn)行初始化，主要對(duì)類變量進(jìn)行初始化。初始化階段是執(zhí)行類構(gòu)造器<client>()方法的過程。

<client>()方法是由編譯器自動(dòng)收集類中的所有類變量賦值動(dòng)作和靜態(tài)語(yǔ)句static{}塊中的語(yǔ)句合并產(chǎn)生的，編譯器收集的順序是由語(yǔ)句在源文件出現(xiàn)的順序所決定的。靜態(tài)語(yǔ)句塊中只能訪問到定義在靜態(tài)語(yǔ)句塊之前的變量，定義在之后的變量可以賦值，但不能訪問。如下所示：

public class Test{
    static{
        i=0;
        System.out.print(i);
    }
    static int i=1;
}

<clinit>()方法與類構(gòu)造函數(shù)不一樣，不需要顯示調(diào)用父類構(gòu)造函數(shù)，虛擬機(jī)會(huì)保證在子類的<clinit>()方法執(zhí)行之前，父類的<clinit>()方法已執(zhí)行完畢。

由于父類的<clinit>()方法首先執(zhí)行，意味著父類中的靜態(tài)語(yǔ)句塊要優(yōu)先于子類的變量賦值操作，如下所示，最終得出的值是2，而不是1。

public class TestClassLoader {
    public static int A = 1;
    static {
        A = 2;
//        System.out.println(A);
    }
    
    static class Sub extends TestClassLoader {
        public static int B = A;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Sub.B);
    }
}

<clinit>()方法對(duì)于類和接口來(lái)說，并不是必須的，若類沒有靜態(tài)語(yǔ)句塊，也沒有對(duì)變量賦值操作，則不會(huì)生成<clinit>()方法。

接口與類不同的是，接口不需要先執(zhí)行父類的<clinit>()方法，只有父接口定義的變量使用時(shí)，父接口才會(huì)被初始化。另外接口的實(shí)現(xiàn)類也不會(huì)先執(zhí)行接口的<clinit>()方法。

虛擬機(jī)保證當(dāng)多線程去初始化類時(shí)，只會(huì)有一個(gè)線程去執(zhí)行<clinit>()方法，而其他線程則被阻塞。

<clinit>()方法和<init>()方法區(qū)別：

執(zhí)行時(shí)機(jī)不同：init方法是對(duì)象構(gòu)造器方法，在new一個(gè)對(duì)象并調(diào)用該對(duì)象的constructor方法時(shí)才會(huì)執(zhí)行。clinit方法是類構(gòu)造器方法，是在JVM加載期間的初始化階段才會(huì)調(diào)用。

執(zhí)行目的不同：init是對(duì)非靜態(tài)變量解析初始化，而clinit是對(duì)靜態(tài)變量，靜態(tài)代碼塊進(jìn)行初始化。

三、雙親委派機(jī)制

在介紹雙親委派機(jī)制前，先來(lái)看下類加載器的層次關(guān)系圖，如下：

• 啟動(dòng)類加載器（Bootstrap ClassLoader），負(fù)責(zé)加載存放在$JAVA_HOME\jre\lib下，或被-Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑中的，并且能被虛擬機(jī)識(shí)別的類庫(kù)（如rt.jar，所有的java.*開頭的類均被Bootstrap ClassLoader加載）。啟動(dòng)類加載器是無(wú)法被Java程序直接引用的。
• 擴(kuò)展類加載器（Extension ClassLoader），該加載器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實(shí)現(xiàn)，它負(fù)責(zé)加載$JAVA_HOME\jre\lib\ext目錄中，或者由java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定的路徑中的所有類庫(kù)（如javax.*開頭的類），開發(fā)者可以直接使用擴(kuò)展類加載器。
• 應(yīng)用程序類加載器（Application ClassLoader），該類加載器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader來(lái)實(shí)現(xiàn)，它負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（ClassPath）所指定的類，開發(fā)者可以直接使用該類加載器，如果應(yīng)用程序中沒有自定義過自己的類加載器，一般情況下這個(gè)就是程序中默認(rèn)的類加載器。
• 自定義類加載器（User ClassLoader），如果有必要，我們還可以加入自定義的類加載器。因?yàn)镴VM自帶的ClassLoader只是懂得從本地文件系統(tǒng)加載標(biāo)準(zhǔn)的java class文件。

雙親委派機(jī)制是指如果一個(gè)類加載器收到了類加載的請(qǐng)求，它首先不會(huì)自己去嘗試加載這個(gè)類，而是把請(qǐng)求委托給父加載器去完成，依次向上，因此，所有的類加載請(qǐng)求最終都應(yīng)該被傳遞到頂層的啟動(dòng)類加載器中，只有當(dāng)父加載器在它的搜索范圍中沒有找到所需的類時(shí)，即無(wú)法完成該加載，子加載器才會(huì)嘗試自己去加載該類。

為了更清楚的了解雙親委派機(jī)制，我們來(lái)看下jdk1.8源碼java.lang.ClassLoader.loadClass()方法實(shí)現(xiàn)：

    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
    }

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

上面代碼注釋寫的很清楚，首先調(diào)用findLoadedClass方法檢查是否已加載過這個(gè)類，如果沒有就調(diào)用parent的loadClass方法，從底層一級(jí)級(jí)往上。如果所有ClassLoader都沒有加載過這個(gè)類，就調(diào)用findClass方法查找這個(gè)類，然后又從頂層逐級(jí)向下調(diào)用findClass方法，最終都沒找到就拋出ClassNotFoundException。這樣設(shè)計(jì)的目的是保證安全性，防止系統(tǒng)類被偽造。

為了便于理解，以下是加載邏輯示意圖：

四、自定義類加載器的應(yīng)用

自定義類加載器通常有以下四種應(yīng)用場(chǎng)景：

• 源代碼加密，防止源碼泄露
• 隔離加載類，采用隔離加載，防止依賴沖突。
• 修改類加載的方式。
• 擴(kuò)展加載源。

1、源代碼加密

源代碼加密的本質(zhì)是對(duì)字節(jié)碼文件進(jìn)行操作。我們可以在打包的時(shí)候?qū)lass進(jìn)行加密操作，然后在加載class文件之前通過自定義classloader先進(jìn)行解密操作，然后再按照標(biāo)準(zhǔn)的class文件標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加載，這樣就完成了class文件正常的加載。因此這個(gè)加密的jar包只有能夠?qū)崿F(xiàn)解密方法的classloader才能正常加載。

2、隔離加載類

我們常常遇到頭疼的事情就是jar包版本的依賴沖突，寫代碼五分鐘，排包一整天。

舉個(gè)栗子：

工程里面同時(shí)引入了 A、B 兩個(gè) jar 包，以及 C 的 v0.1、v0.2 版本，v2 版本的 Log 類比 v1 版本新增了 error 方法，，打包的時(shí)候 maven 只能選擇 C 的一個(gè)版本，假設(shè)選擇了 v1 版本。到了運(yùn)行的時(shí)候，默認(rèn)情況下一個(gè)項(xiàng)目的所有類都是用同一個(gè)類加載器加載的，所以不管你依賴了多少個(gè)版本的 C，最終只會(huì)有一個(gè)版本的 C 被加載到 JVM 中。當(dāng) B 要去訪問 Log.error，就會(huì)發(fā)現(xiàn) Log 壓根就沒有 error 方法，然后就拋異常 java.lang.NoSuchMethodError。這就是類沖突的一個(gè)典型案例。

類隔離技術(shù)就是用來(lái)解決這個(gè)問題。讓不同模塊的 jar 包用不同的類加載器加載。

JVM 提供了一種非常簡(jiǎn)單有效的方式，我把它稱為類加載傳導(dǎo)規(guī)則：JVM 會(huì)選擇當(dāng)前類的類加載器來(lái)加載所有該類的引用的類。例如我們定義了 TestA 和 TestB 兩個(gè)類，TestA 會(huì)引用 TestB，只要我們使用自定義的類加載器加載 TestA，那么在運(yùn)行時(shí)，當(dāng) TestA 調(diào)用到 TestB 的時(shí)候，TestB 也會(huì)被 JVM 使用 TestA 的類加載器加載。依此類推，只要是 TestA 及其引用類關(guān)聯(lián)的所有 jar 包的類都會(huì)被自定義類加載器加載。通過這種方式，我們只要讓模塊的 main 方法類使用不同的類加載器加載，那么每個(gè)模塊的都會(huì)使用 main 方法類的類加載器加載的，這樣就能讓多個(gè)模塊分別使用不同類加載器。這也是 OSGi 和 SofaArk 能夠?qū)崿F(xiàn)類隔離的核心原理。

3、熱加載/熱部署

在應(yīng)用運(yùn)行的時(shí)升級(jí)軟件，無(wú)需重新啟動(dòng)的方式有兩種，熱部署和熱加載。

對(duì)于Java應(yīng)用程序來(lái)說，熱部署就是在服務(wù)器運(yùn)行時(shí)重新部署項(xiàng)目，熱加載即在運(yùn)行時(shí)重新加載class，從而升級(jí)應(yīng)用。

熱加載可以概括為在容器啟動(dòng)的時(shí)候起一條后臺(tái)線程，定時(shí)的檢測(cè)類文件的時(shí)間戳變化，如果類的時(shí)間戳變掉了，則將類重新載入。對(duì)比反射機(jī)制，反射是在運(yùn)行時(shí)獲取類信息，通過動(dòng)態(tài)的調(diào)用來(lái)改變程序行為。而熱加載則是在運(yùn)行時(shí)通過重新加載改變類信息，直接改變程序行為。

熱部署原理類似，但它是直接重新加載整個(gè)應(yīng)用，這種方式會(huì)釋放內(nèi)存，比熱加載更加干凈徹底，但同時(shí)也更費(fèi)時(shí)間。

4、擴(kuò)展加載源

字節(jié)碼文件可以從數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)設(shè)備、甚至是電視機(jī)機(jī)頂盒進(jìn)行加載，可以與源代碼加密方式搭配使用。比如部分關(guān)鍵代碼可以通過移動(dòng)U盤讀取再加載到JVM。

到此這篇關(guān)于深入了解Java中的類加載機(jī)制的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java類加載機(jī)制內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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