Java的类加载机制：幕后英雄的工作原理！

开篇语

哈喽，各位小伙伴们，你们好呀，我是喵手。运营社区：C站/掘金/腾讯云/阿里云/华为云/51CTO；欢迎大家常来逛逛

  今天我要给大家分享一些自己日常学习到的一些知识点，并以文字的形式跟大家一起交流，互相学习，一个人虽可以走的更快，但一群人可以走的更远。

  我是一名后端开发爱好者，工作日常接触到最多的就是Java语言啦，所以我都尽量抽业余时间把自己所学到所会的，通过文章的形式进行输出，希望以这种方式帮助到更多的初学者或者想入门的小伙伴们，同时也能对自己的技术进行沉淀，加以复盘，查缺补漏。

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前言

  在 Java 中，类加载是将类的字节码加载到 JVM（Java Virtual Machine）中的过程。类加载机制是 Java 运行时的一个核心特性，它使得 Java 应用具有跨平台性、动态加载能力以及高度的灵活性。Java 使用 类加载器（ClassLoader） 来加载类并实现类的动态加载，类加载器有一套精确的工作流程，理解这些机制有助于更好地理解 Java 程序的运行过程，尤其是在开发大型框架或实现自定义类加载时。

今天，我们将深入探讨 类加载器的作用、自定义类加载器、双亲委派模型 与 类加载器的工作原理。

一、类加载器（ClassLoader）的作用

类加载器是 Java 中的一个重要组件，负责从不同的资源位置（如文件系统、网络等）加载类的字节码到 JVM。它的作用不仅仅是加载类，还包括：

• 查找类：类加载器需要查找类文件的位置，通常会在一些指定的路径或者 JAR 包中查找。
• 加载字节码：找到类文件后，加载字节码到 JVM 内存中。
• 解析符号引用：当类被加载时，类加载器还需要解析类中对其他类、方法、字段等的引用，并处理相应的依赖关系。

1.1 Java 中的类加载器

Java 中的类加载器有三种主要类型，它们构成了 Java 类加载的体系结构：

1. Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）：

   • 负责加载 JDK 内置的类库（如 rt.jar），这些类库包含了 Java 核心类（例如 java.lang.*）。
   • 它是类加载器的顶层，通常是由 JVM 实现提供的，程序员无法直接操作。

2. Extension ClassLoader（扩展类加载器）：

   • 负责加载 JDK 扩展目录中的类（例如 ext 目录中的类库）。
   • 这些类通常是由 JDK 提供的额外功能类库。

3. System ClassLoader（应用类加载器）：

   • 负责加载 classpath 中的类（即用户自定义的类）。
   • 它是最常用的加载器，加载的是由用户开发的应用程序类。

每个类加载器都有父类加载器，形成了层次结构。系统类加载器的父加载器是扩展类加载器，而扩展类加载器的父加载器是启动类加载器。

二、自定义类加载器

Java 的类加载机制是可扩展的，你可以根据需要自定义类加载器。自定义类加载器通常需要继承 ClassLoader 类，并重写 findClass() 方法。这样，开发者可以根据特定需求加载类，例如从网络、数据库或加密文件中加载类。

2.1 自定义类加载器的示例

代码示例：自定义类加载器

import java.io.*;

public class MyClassLoader extends ClassLoader {

    // 重写 findClass 方法，指定如何加载类
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] data = loadClassData(name);
        return defineClass(name, data, 0, data.length);
    }

    // 加载类字节码
    private byte[] loadClassData(String name) {
        // 替换 . 为路径分隔符
        String path = name.replace('.', '/') + ".class";
        try (InputStream inputStream = new FileInputStream(path)) {
            byte[] data = new byte[inputStream.available()];
            inputStream.read(data);
            return data;
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
            // 加载并实例化自定义的类
            Class<?> clazz = classLoader.loadClass("HelloWorld");
            Object obj = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
            clazz.getMethod("sayHello").invoke(obj);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

  在这个例子中，我们自定义了一个 MyClassLoader 类来加载名为 HelloWorld 的类。我们通过读取文件系统中的 .class 文件并将其字节码加载到内存中，然后通过 defineClass 方法将字节码转换为类对象。

三、双亲委派模型与类加载器的工作原理

Java 的类加载器采用 双亲委派模型 来加载类，这是为了避免类的重复加载和确保类的加载顺序。具体来说，当一个类加载器接收到加载类的请求时，它会先将这个请求传递给它的父加载器，直到最终到达启动类加载器。如果父加载器无法加载该类，子加载器才会自己去加载。

3.1 双亲委派模型的工作原理

1. 父加载器委派：当类加载器收到加载类的请求时，首先会检查父类加载器是否可以加载该类。
2. 递归委派：如果父类加载器也无法加载该类，则会由当前类加载器来加载类。
3. 防止类的重复加载：这种委派机制确保了 Java 核心类（如 java.lang.*）只会被加载一次，不会被不同的类加载器重复加载。

这种模型保证了 Java 系统的安全性和类加载的统一性，避免了 ClassNotFoundException 和类冲突问题。

代码示例：双亲委派模型

public class CustomClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 自定义类加载器
            MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
            // 加载指定的类
            Class<?> clazz = classLoader.loadClass("HelloWorld");
            System.out.println("Class loaded by: " + clazz.getClassLoader());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

  在这个示例中，我们通过自定义的类加载器加载了 HelloWorld 类。在双亲委派模型下，MyClassLoader 会将类加载请求传递给其父类加载器（即系统类加载器），如果父类加载器无法找到该类，才会通过自定义加载器进行加载。

四、类加载器的常见问题与调试

4.1 类加载器的可见性

不同的类加载器加载的类是相互隔离的，使用不同的类加载器加载的类，即使名字相同，也被认为是不同的类。因此，同一类不能被两个类加载器加载，否则会出现 ClassCastException。

4.2 类加载器与 ClassNotFoundException

当应用程序请求加载一个类时，如果类加载器无法找到指定的类，就会抛出 ClassNotFoundException 异常。此时，可能是类路径错误，或者类加载器的委派机制导致了加载失败。

4.3 类加载器的调试

为了调试类加载器的工作，可以通过查看类加载器的加载日志来确定类加载的过程。可以通过 -verbose:class JVM 参数来输出类加载的详细信息，或者通过编程方式使用 getClassLoader() 方法查看类的加载器。

总结：类加载机制与动态加载

Java 的类加载机制和动态加载能力使得 Java 成为一个非常灵活且具有扩展性的编程语言。类加载器负责加载类并执行类的字节码，通过双亲委派模型避免了类加载的重复性问题，并保证了类加载的顺序。自定义类加载器则为开发者提供了更多的控制和灵活性，可以根据需要动态加载类。掌握 Java 的类加载机制，能够让你更好地理解 Java 的底层实现，尤其是在构建框架或处理复杂应用时。

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文末

好啦，以上就是我这期的全部内容，如果有任何疑问，欢迎下方留言哦，咱们下期见。

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