Java 类加载机制

内容导读

互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了Java 类加载机制，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含13841字，纯文字阅读大概需要20分钟。

内容图文

　　1 类的加载过程

　　JVM 将类的加载过程分为三个大的步骤：装载(load)，链接(link)，初始化(initialize)。其中链接又分为三个步骤：验证，准备，解析。

(1) 装载：查找并加载类的二进制数据

(2) 链接：

① 验证：确保被加载类的正确性；主要是为了安全考虑，防止程序员自己写class文件让JVM加载并运行，用于恶意用途，后果就严重了，因此class文件要先过验证这一关，不符合规范的不会让它继续执行。

② 准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值；

③ 解析：把类中的符号引用转换为直接引用；

(3) 初始化：为类的静态变量赋予正确的初始值

　　准备阶段和初始化阶段看似有点重复，其实它们有各自的用途，如果类中有语句：private static int a = 10; 它的执行过程是：首先字节码文件被加载到内存后，先进行链接的验证这一步骤，验证通过之后进入准备阶段，给 a 分配内存，因为a是static的，所以此时a 等于int 类型的默认初始值0，即a=0，然后到解析步骤，到初始化这一步时，才把10赋给a，此时a=10。

2 类的初始化

类什么时候才被初始化：

(1) 创建类的实例，也就是new 一个对象；

(2) 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值；

(3) 调用类的静态方法；

(4) 反射(Class.forName("Test"))；

(5) 初始化一个类的子类(会先初始化子类的父类)；

(6) JVM 启动时标明的启动类，即文件名和类名相同的那个类；

只有以上6种情况才会导致类的初始化。类初始化步骤：

(1) 如果这个类还没有被加载和链接，那先进行加载和链接；

(2) 如果这类存在直接父类，并且这个类还没有初始化(注意：在一类加载器中，类只能初始化一次)，那就初始化直接的父类(不适用于接口)；

(3) 假如类中存在初始化语句(如static变量 与static 代码块)，那就依次执行这些初始化语句。

3 类的加载

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个这个类的 java.lang.class对象，用来封装类在方法区类的对象。

类的加载最终产品是位于堆区中的Class 对象，Class 对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java 程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口，加载类的方式有以下几种：

(1) 从本地系统直接加载；

(2) 通过网络下载 .class 文件；

(3) 从zip， jar 等归档文件中加载 .class文件；

(4) 从专有数据库中提取.class文件；

(5) 将Java 源文件动态编译为. class文件；

4 加载器

JVM 类加载器是通过ClassLoader 及其子类来完成的，类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述：

(1) Bootstrap ClassLoader

　　负责加载$JAVA_HOME中的jre/lib/rt.jar 里所有的class，由c++实现，不是ClassLoader子类。

(2) Extension ClassLoader

　　负责加载Java 平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中的jre/lib/ext/*.jar 或 -D java.ext.dirs指定目录下的jar包。

(3) App ClassLoader

　　负责加载classpath 中指定的jar包及目录中class

(4) Custom ClassLoader

　　应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如tomcat，jboss 都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader，加载过程中会先检查是否已被加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader 到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类在所有ClassLoader 只加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。

5 JVM 三种预定义加载器

JVM预定义有三种类加载器，当一个 JVM启动的时候，Java 默认开始使用如下三种类加载器：

(1) 引导类加载器（Bootstrap class loader）：它用来加载 Java 的核心库，是用原生代码来实现的，并不继承自 java.lang.ClassLoader。它负责将<Java_Runtime_Home>/lib下面的核心类库或-Xbootclasspath选项指定的jar包加载到内存中。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节，开发者无法直接获取到启动类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作。

(2) 扩展类加载器（Extensions class loader）：该类加载器在此目录里面查找并加载 Java 类。扩展类加载器是由Sun的 ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）实现的。它用来加载 Java 的扩展库。Java 虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。它负责将< Java_Runtime_Home >/lib/ext或者由系统变量-Djava.ext.dirs指定位置中的类库加载到内存中。开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

(3) 系统类加载器（System class loader）：系统类加载器是由 Sun的 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）实现的。它负责将系统类路径java -classpath或-Djava.class.path变量所指的目录下的类库加载到内存中。开发者可以直接使用系统类加载器。一般来说，Java 应用的类都是由它来完成加载的。可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它。

6 类加载器 "双亲委派" 机制

(1) 双亲委派机制介绍

在这里需要着重说明，JVM在加载类时默认采用的是双亲委派机制。所谓的双亲委派机制，就是某个特定的类加载器在接到类的请求时，首先将加载任务委托给父加载器，依次递归，如果父加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。关于虚拟机默认的双亲委派机制，我们可以从系统类加载器和标准扩展类加载器为例作简单分析。

　　　　　　图一 标准扩展类加载器继承层次图                                                                        　　　　　图二 系统类加载器继承层次图

图一与图二可以看出，类加载器均是继承自java.lang.ClassLoader 抽象类。我们来看看java.lang.ClassLoader 中几个最重要的方法：

 //加载指定名称（包括包名）的二进制类型，供用户调用的接口
 public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException{//…}
 //加载指定名称（包括包名）的二进制类型，同时指定是否解析（但是，这里的resolve参数不一定真正能达到解析的效果~_~），供继承用
 protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{//…}
 //findClass方法一般被loadClass方法调用去加载指定名称类，供继承用
 protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {//…}
 //定义类型，一般在findClass方法中读取到对应字节码后调用，可以看出不可继承（说明：JVM已经实现了对应的具体功能，解析对应的字节码，产生对应的内部数据结构放置到方法区，所以 无需覆写，直接调用就可以了）
 protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) throws ClassFormatError{//…}

通过进一步分析标准扩展类加载器(sun.misc.Launcher$ExtClassLoader) 和系统类加载器（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）的代码以及其公共父类(java.net.URLClassLoader和 java.security.SecureClassLoader) 的代码可以看出，都没有覆写java.lang.ClassLoader中默认的加载委派规则 loadClass() 方法。既然这样我们可以通过分析java.lang.ClassLoader中的 loadClass(String name) 方法代码看到虚拟机默认采用的双亲委派机制到底是什么模样：

 1 public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
 2 　　return loadClass(name, false);
 3 }
 4 
 5 protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)  throws ClassNotFoundException {
 6    // 首先判断该类型是否已经被加载
 7    Class c = findLoadedClass(name);
 8    if (c == null) {
 9    　　//如果没有被加载，就委托给父类加载或者委派给启动类加载器加载
10        try {
11        　　if (parent != null) {
12 　　　　　　　　 //如果存在父类加载器，就委派给父类加载器加载
13            　　c = parent.loadClass(name, false);
14            } else {
15 　　　　　　　　//如果不存在父类加载器，就检查是否是由启动类加载器加载的类，通过调用本地方法native Class findBootstrapClass(String name)
16            　　c = findBootstrapClass0(name);
17            }
18        }catch (ClassNotFoundException e) {
19        　　// 如果父类加载器和启动类加载器都不能完成加载任务，才调用自身的加载功能
20        　　c = findClass(name);
21        }
22    }
23    if (resolve) {
24        resolveClass(c);
25    }
26    return c;
27 }

　　通过上面的代码分析，我们可以对JVM采用的双亲委派类加载机制有了更感性的认识。

　　我们就接着分析一下启动类加载器、标准扩展类加载器和系统类加载器三者之间的关系。可能大家已经从各种资料上面看到了如下类似的一幅图片：

　　　　图三 类加载器默认委派关系图

　　上面图片给人的直观印象是系统类加载器的父类加载器是标准扩展类加载器，标准扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器，下面我们就用代码具体测试一下：

public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader());
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent());
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent().getParent());
    }
    
    /*
      输出结果：
    sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93
    sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@15db9742
    null 
     */

　　通过以上的代码输出，我们可以判定系统类加载器的父加载器是标准扩展类加载器，但是我们试图获取标准扩展类加载器的父类加载器时确得到了null，就是说标准扩展类加载器本身强制设定父类加载器为null。我们借助于代码分析一下：

我们首先看一下java.lang.ClassLoader抽象类中默认实现的两个构造函数：

    protected ClassLoader() {
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (security != null) {
            security.checkCreateClassLoader();
        }
        //默认将父类加载器设置为系统类加载器，getSystemClassLoader()获取系统类加载器
        this.parent = getSystemClassLoader();
        initialized = true;
    }
    protected ClassLoader(ClassLoader parent) {
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (security != null) {
            security.checkCreateClassLoader();
        }
        //强制设置父类加载器
        this.parent = parent;
        initialized = true;
    }

    我们再看一下ClassLoader抽象类中parent成员的声明：
    // The parent class loader for delegation
    private ClassLoader parent;

　　声明为私有变量的同时并没有对外提供可供派生类访问的public或者protected设置器接口（对应的setter方法），结合前面的测试代码的输出，我们可以推断出：

(1) 系统类加载器（AppClassLoader）调用ClassLoader(ClassLoader parent)构造函数将父类加载器设置为标准扩展类加载器(ExtClassLoader)。（因为如果不强制设置，默认会通过调用getSystemClassLoader()方法获取并设置成系统类加载器，这显然和测试输出结果不符。）

(2) 扩展类加载器（ExtClassLoader）调用ClassLoader(ClassLoader parent)构造函数将父类加载器设置为null。（因为如果不强制设置，默认会通过调用getSystemClassLoader()方法获取并设置成系统类加载器，这显然和测试输出结果不符。）

     现在我们可能会有这样的疑问：扩展类加载器（ExtClassLoader）的父类加载器被强制设置为null了，那么扩展类加载器为什么还能将加载任务委派给启动类加载器呢？

图四 标准扩展类加载器和系统类加载器成员大纲视图

图五 扩展类加载器和系统类加载器公共父类成员大纲视图

　　通过以上两图可以看出，标准扩展类加载器和系统类加载器及其父类(java.net.URLClassLoader和java.security.SecureClassLoader) 都没有覆写java.lang.ClassLoader中默认的加载委派规则---loadClass()方法。有关java.lang.ClassLoader中默认的加载委派规则前面已经分析过，如果父加载器为null，则会调用本地方法进行启动类加载尝试。所以，图三中，启动类加载器、标准扩展类加载器和系统类加载器之间的委派关系事实上是仍就成立的。

(2) 类加载双亲委派示例

　　以上已经简要介绍了虚拟机默认使用的启动类加载器、标准扩展类加载器和系统类加载器，并以三者为例结合JDK代码对JVM默认使用的双亲委派类加载机制做了分析。下面我们就来看一个综合的例子。首先在eclipse中建立一个简单的java应用工程，然后写一个简单的JavaBean如下：

package com.latiny.bean;

public class TestBean {
    public TestBean()
    {}
}

在现有当前工程中另外建立一测试类（JVMTest1.java）内容如下：

package com.latiny.reflect;

public class JVMTest1 {
    
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //查看当前系统类路径中包含的路径条目
            System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
            //调用加载当前类的类加载器（这里即为系统类加载器）加载TestBean
            Class typeLoaded = Class.forName("com.latiny.bean.TestBean");
            //查看被加载的TestBean类型是被那个类加载器加载的s
            System.out.println(typeLoaded.getClassLoader());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出结果：

C:\Work\Project\Java\Eclipse\ReflectProject\bin
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93

测试二：

将当前工程输出目录下的C:\Work\Project\Java\Eclipse\ReflectProject\bin\com\latiny\bean打包进test.jar剪贴到< Java_Runtime_Home >/lib/ext目录下（现在工程输出目录下和JRE扩展目录下都有待加载类型的class文件）。再运行测试一测试代码，结果如下：

C:\Work\Project\Java\Eclipse\ReflectProject\bin
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@2a139a55 78

　　测试三和测试二输出结果一致。那就是说，放置到< Java_Runtime_Home >/lib目录下的TestBean对应的class字节码并没有被加载，这其实和前面讲的双亲委派机制并不矛盾。虚拟机出于安全等因素考虑，不会加载< Java_Runtime_Home >/lib存在的陌生类，开发者通过将要加载的非JDK自身的类放置到此目录下期待启动类加载器加载是不可能的。做个进一步验证，删除< Java_Runtime_Home >/lib/ext目录下和工程输出目录下的TestBean对应的class文件，然后再运行测试代码，则将会有ClassNotFoundException异常抛出。有关这个问题，大家可以在java.lang.ClassLoader中的loadClass(String name, boolean resolve)方法中设置相应断点运行测试三进行调试，会发现findBootstrapClass0()会抛出异常，然后在下面的findClass方法中被加载，当前运行的类加载器正是扩展类加载器（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader），这一点可以通过JDT中变量视图查看验证。

7 java程序动态扩展方式

　　Java的连接模型允许用户运行时扩展引用程序，既可以通过当前虚拟机中预定义的加载器加载编译时已知的类或者接口，又允许用户自行定义类装载器，在运行时动态扩展用户的程序。通过用户自定义的类装载器，你的程序可以装载在编译时并不知道或者尚未存在的类或者接口，并动态连接它们并进行有选择的解析。

　　运行时动态扩展java应用程序有如下两个途径：

(1) 调用java.lang.Class.forName(…)

　　　　这个方法其实在前面已经讨论过，在后面的问题2解答中说明了该方法调用会触发哪个类加载器开始加载任务。这里需要说明的是多参数版本的forName(…)方法：

　　public static Class<?> forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader) throws ClassNotFoundException

这里的initialize参数是很重要的，可以决定类被加载同时是否完成初始化的工作(说明：单参数版本的forName方法默认是不完成初始化的).有些场景下，需要将initialize设置为true来强制加载同时完成初始化，例如典型的就是利用DriverManager进行JDBC驱动程序类注册的问题，因为每一个JDBC驱动程序类的静态初始化方法都用DriverManager注册驱动程序，这样才能被应用程序使用,这就要求驱动程序类必须被初始化，而不单单被加载。

　　(2) 用户自定义类加载器

　　通过前面的分析，我们可以看出，除了和本地实现密切相关的启动类加载器之外，包括标准扩展类加载器和系统类加载器在内的所有其他类加载器我们都可以当做自定义类加载器来对待，唯一区别是是否被虚拟机默认使用。前面的内容中已经对java.lang.ClassLoader 抽象类中的几个重要的方法做了介绍，这里就简要叙述一下一般用户自定义类加载器的工作流程吧(可以结合后面问题解答一起看)：

① 首先检查请求的类型是否已经被这个类装载器装载到命名空间中了，如果已经装载，直接返回；否则转入步骤2；

② 委派类加载请求给父类加载器(更准确的说应该是双亲类加载器，整个虚拟机中各种类加载器最终会呈现树状结构)，如果父类加载器能够完成，则返回父类加载器加载的Class实例；否则转入步骤3；

③ 调用本类加载器的findClass() 方法，试图获取对应的字节码，如果获取的到，则调用defineClass() 导入类型到方法区；如果获取不到对应的字节码或者其他原因失败，返回异常给loadClass()， loadClass() 转抛异常，终止加载过程(注意：这里的异常种类不止一种)。

(说明：这里说的自定义类加载器是指JDK 1.2以后版本的写法，即不覆写改变java.lang.loadClass() 已有委派逻辑情况下)

内容总结

以上是互联网集市为您收集整理的Java 类加载机制全部内容，希望文章能够帮你解决Java 类加载机制所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。

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