Java類加載器ClassLoader用法解析

這篇文章主要介紹了Java類加載器ClassLoader用法解析,文中通過示例代碼介紹的非常詳細，對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值,需要的朋友可以參考下

正文

當程序主動使用某個類時，如果該類還未被加載到內(nèi)存中，則JVM會通過加載、連接、初始化3個步驟來對該類進行初始化。如果沒有意外，JVM將會連續(xù)完成3個步驟，所以有時也把這個3個步驟統(tǒng)稱為類加載或類初始化。

一、類加載過程

1.加載

加載指的是將類的class文件讀入到內(nèi)存，并為之創(chuàng)建一個java.lang.Class對象，也就是說，當程序中使用任何類時，系統(tǒng)都會為之建立一個java.lang.Class對象。

類的加載由類加載器完成，類加載器通常由JVM提供，這些類加載器也是前面所有程序運行的基礎，JVM提供的這些類加載器通常被稱為系統(tǒng)類加載器。除此之外，開發(fā)者可以通過繼承ClassLoader基類來創(chuàng)建自己的類加載器。

通過使用不同的類加載器，可以從不同來源加載類的二進制數(shù)據(jù)，通常有如下幾種來源。

• 從本地文件系統(tǒng)加載class文件，這是前面絕大部分示例程序的類加載方式。
• 從JAR包加載class文件，這種方式也是很常見的，前面介紹JDBC編程時用到的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動類就放在JAR文件中，JVM可以從JAR文件中直接加載該class文件。
• 通過網(wǎng)絡加載class文件。
• 把一個Java源文件動態(tài)編譯，并執(zhí)行加載。
• 類加載器通常無須等到“首次使用”該類時才加載該類，Java虛擬機規(guī)范允許系統(tǒng)預先加載某些類。

2.鏈接

當類被加載之后，系統(tǒng)為之生成一個對應的Class對象，接著將會進入連接階段，連接階段負責把類的二進制數(shù)據(jù)合并到JRE中。類連接又可分為如下3個階段。

1)驗證：驗證階段用于檢驗被加載的類是否有正確的內(nèi)部結構，并和其他類協(xié)調(diào)一致。Java是相對C++語言是安全的語言，例如它有C++不具有的數(shù)組越界的檢查。這本身就是對自身安全的一種保護。驗證階段是Java非常重要的一個階段，它會直接的保證應用是否會被惡意入侵的一道重要的防線，越是嚴謹?shù)尿炞C機制越安全。驗證的目的在于確保Class文件的字節(jié)流中包含信息符合當前虛擬機要求，不會危害虛擬機自身安全。其主要包括四種驗證，文件格式驗證，元數(shù)據(jù)驗證，字節(jié)碼驗證，符號引用驗證。

四種驗證做進一步說明：

文件格式驗證：主要驗證字節(jié)流是否符合Class文件格式規(guī)范，并且能被當前的虛擬機加載處理。例如：主，次版本號是否在當前虛擬機處理的范圍之內(nèi)。常量池中是否有不被支持的常量類型。指向常量的中的索引值是否存在不存在的常量或不符合類型的常量。

元數(shù)據(jù)驗證：對字節(jié)碼描述的信息進行語義的分析，分析是否符合java的語言語法的規(guī)范。

字節(jié)碼驗證：最重要的驗證環(huán)節(jié)，分析數(shù)據(jù)流和控制，確定語義是合法的，符合邏輯的。主要的針對元數(shù)據(jù)驗證后對方法體的驗證。保證類方法在運行時不會有危害出現(xiàn)。

符號引用驗證：主要是針對符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用的時候，是會延伸到第三解析階段，主要去確定訪問類型等涉及到引用的情況，主要是要保證引用一定會被訪問到，不會出現(xiàn)類等無法訪問的問題。

2)準備：類準備階段負責為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并設置默認初始值。

3)解析：將類的二進制數(shù)據(jù)中的符號引用替換成直接引用。說明一下：符號引用：符號引用是以一組符號來描述所引用的目標，符號可以是任何的字面形式的字面量，只要不會出現(xiàn)沖突能夠定位到就行。布局和內(nèi)存無關。直接引用：是指向目標的指針，偏移量或者能夠直接定位的句柄。該引用是和內(nèi)存中的布局有關的，并且一定加載進來的。

3.初始化

初始化是為類的靜態(tài)變量賦予正確的初始值，準備階段和初始化階段看似有點矛盾，其實是不矛盾的，如果類中有語句：private static int a = 10，它的執(zhí)行過程是這樣的，首先字節(jié)碼文件被加載到內(nèi)存后，先進行鏈接的驗證這一步驟，驗證通過后準備階段，給a分配內(nèi)存，因為變量a是static的，所以此時a等于int類型的默認初始值0，即a=0,然后到解析（后面在說），到初始化這一步驟時，才把a的真正的值10賦給a,此時a=10。

二、類加載時機

• 創(chuàng)建類的實例，也就是new一個對象
• 訪問某個類或接口的靜態(tài)變量，或者對該靜態(tài)變量賦值
• 調(diào)用類的靜態(tài)方法
• 反射（Class.forName("com.lyj.load")）
• 初始化一個類的子類（會首先初始化子類的父類）
• JVM啟動時標明的啟動類，即文件名和類名相同的那個類

除此之外，下面幾種情形需要特別指出：

對于一個final類型的靜態(tài)變量，如果該變量的值在編譯時就可以確定下來，那么這個變量相當于“宏變量”。Java編譯器會在編譯時直接把這個變量出現(xiàn)的地方替換成它的值，因此即使程序使用該靜態(tài)變量，也不會導致該類的初始化。反之，如果final類型的靜態(tài)Field的值不能在編譯時確定下來，則必須等到運行時才可以確定該變量的值，如果通過該類來訪問它的靜態(tài)變量，則會導致該類被初始化。

三、類加載器

類加載器負責加載所有的類，其為所有被載入內(nèi)存中的類生成一個java.lang.Class實例對象。一旦一個類被加載如JVM中，同一個類就不會被再次載入了。正如一個對象有一個唯一的標識一樣，一個載入JVM的類也有一個唯一的標識。在Java中，一個類用其全限定類名（包括包名和類名）作為標識；但在JVM中，一個類用其全限定類名和其類加載器作為其唯一標識。例如，如果在pg的包中有一個名為Person的類，被類加載器ClassLoader的實例kl負責加載，則該Person類對應的Class對象在JVM中表示為(Person.pg.kl)。這意味著兩個類加載器加載的同名類：（Person.pg.kl）和（Person.pg.kl2）是不同的、它們所加載的類也是完全不同、互不兼容的。

JVM預定義有三種類加載器，當一個 JVM啟動的時候，Java開始使用如下三種類加載器：

1)根類加載器（bootstrap class loader）:它用來加載 Java 的核心類，是用原生代碼來實現(xiàn)的，并不繼承自 java.lang.ClassLoader（負責加載$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++實現(xiàn)，不是ClassLoader子類）。由于引導類加載器涉及到虛擬機本地實現(xiàn)細節(jié)，開發(fā)者無法直接獲取到啟動類加載器的引用，所以不允許直接通過引用進行操作。

下面程序可以獲得根類加載器所加載的核心類庫,并會看到本機安裝的Java環(huán)境變量指定的jdk中提供的核心jar包路徑：

public class ClassLoaderTest {
 
  public static void main(String[] args) {
    
    URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
    for(URL url : urls){
      System.out.println(url.toExternalForm());
    }
  }
}

運行結果：

2)擴展類加載器（extensions class loader）：它負責加載JRE的擴展目錄，lib/ext或者由java.ext.dirs系統(tǒng)屬性指定的目錄中的JAR包的類。由Java語言實現(xiàn)，父類加載器為null。

3)系統(tǒng)類加載器（system class loader）：被稱為系統(tǒng)（也稱為應用）類加載器，它負責在JVM啟動時加載來自Java命令的-classpath選項、java.class.path系統(tǒng)屬性，或者CLASSPATH換將變量所指定的JAR包和類路徑。程序可以通過ClassLoader的靜態(tài)方法getSystemClassLoader()來獲取系統(tǒng)類加載器。如果沒有特別指定，則用戶自定義的類加載器都以此類加載器作為父加載器。由Java語言實現(xiàn)，父類加載器為ExtClassLoader。

類加載器加載Class大致要經(jīng)過如下8個步驟：

• 檢測此Class是否載入過，即在緩沖區(qū)中是否有此Class，如果有直接進入第8步，否則進入第2步。
• 如果沒有父類加載器，則要么Parent是根類加載器，要么本身就是根類加載器，則跳到第4步，如果父類加載器存在，則進入第3步。
• 請求使用父類加載器去載入目標類，如果載入成功則跳至第8步，否則接著執(zhí)行第5步。
• 請求使用根類加載器去載入目標類，如果載入成功則跳至第8步，否則跳至第7步。
• 當前類加載器嘗試尋找Class文件，如果找到則執(zhí)行第6步，如果找不到則執(zhí)行第7步。
• 從文件中載入Class，成功后跳至第8步。
• 拋出ClassNotFountException異常。
• 返回對應的java.lang.Class對象。

四、類加載機制：

1.JVM的類加載機制主要有如下3種。

全盤負責：所謂全盤負責，就是當一個類加載器負責加載某個Class時，該Class所依賴和引用其他Class也將由該類加載器負責載入，除非顯示使用另外一個類加載器來載入。
雙親委派：所謂的雙親委派，則是先讓父類加載器試圖加載該Class，只有在父類加載器無法加載該類時才嘗試從自己的類路徑中加載該類。通俗的講，就是某個特定的類加載器在接到加載類的請求時，首先將加載任務委托給父加載器，依次遞歸，如果父加載器可以完成類加載任務，就成功返回；只有父加載器無法完成此加載任務時，才自己去加載。
緩存機制。緩存機制將會保證所有加載過的Class都會被緩存，當程序中需要使用某個Class時，類加載器先從緩存區(qū)中搜尋該Class，只有當緩存區(qū)中不存在該Class對象時，系統(tǒng)才會讀取該類對應的二進制數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成Class對象，存入緩沖區(qū)中。這就是為很么修改了Class后，必須重新啟動JVM，程序所做的修改才會生效的原因。
2.這里說明一下雙親委派機制：

雙親委派機制，其工作原理的是，如果一個類加載器收到了類加載請求，它并不會自己先去加載，而是把這個請求委托給父類的加載器去執(zhí)行，如果父類加載器還存在其父類加載器，則進一步向上委托，依次遞歸，請求最終將到達頂層的啟動類加載器，如果父類加載器可以完成類加載任務，就成功返回，倘若父類加載器無法完成此加載任務，子加載器才會嘗試自己去加載，這就是雙親委派模式，即每個兒子都很懶，每次有活就丟給父親去干，直到父親說這件事我也干不了時，兒子自己才想辦法去完成。

雙親委派機制的優(yōu)勢：

采用雙親委派模式的是好處是Java類隨著它的類加載器一起具備了一種帶有優(yōu)先級的層次關系，通過這種層級關可以避免類的重復加載，當父親已經(jīng)加載了該類時，就沒有必要子ClassLoader再加載一次。其次是考慮到安全因素，java核心api中定義類型不會被隨意替換，假設通過網(wǎng)絡傳遞一個名為java.lang.Integer的類，通過雙親委托模式傳遞到啟動類加載器，而啟動類加載器在核心Java API發(fā)現(xiàn)這個名字的類，發(fā)現(xiàn)該類已被加載，并不會重新加載網(wǎng)絡傳遞的過來的java.lang.Integer，而直接返回已加載過的Integer.class，這樣便可以防止核心API庫被隨意篡改。

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