01-JVM类加载机制

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1️⃣ 类加载过程

当使用java命令运行main函数时，JVM通过类加载器将主类加载到内存。
1.加载（Loading）
查找并读取类的字节码文件（.class文件）到内存。
调用main()方法、创建对象（new）、访问静态成员等。
在方法区生成一个java.lang.Class对象，作为该类的元数据入口。
通过类加载器（如Bootstrap、Extension、Application、ClassLoader）从文件系统、JAR包或网络加载字节码。
2.验证（Verification）
确保字节码文件的格式和内容符合JVM规范，防止恶意或错误代码。
检查内容：
  • 文件格式（魔数、版本号）。
  • 语义正确性（方法调用、变量访问）。
  • 字节码指令合法性。
目的：保障安全性和正确性。
3.准备（Preparation）
为类的静态变量分配内存，并赋默认值（零值）。
仅处理静态变量，非静态变量在对象实例化时分配。
示例：
static int a = 100; → 在准备阶段，a被分配内存并初始化为0（默认值）。
static final常量除外，常量在编译期已确定值。
4.解析（Resolution）
将符号引用替换为直接引用。
符号引用：类、方法、字段等的符号描述（如main()方法的字符串表示）。
直接引用：指向实际内存地址的指针或句柄。
类型：
静态链接：类加载期间完成（如解析main()方法引用）。
动态链接：运行时完成（如动态调用的方法）。
示例：将MainClass.main的符号引用替换为指向方法区中main方法的内存地址。
5.初始化（Initialization）
执行类的初始化代码，为静态变量赋程序指定的值，运行静态代码块。
按代码中声明的顺序执行（从上到下）
执行内容：
  • 静态变量的显式赋值（如static int a = 100;中的100）。
  • 静态代码块（static { ... }）。
触发：类首次主动使用时（如调用main()、创建实例、访问静态成员）。
6.使用（Using）
类被JVM加载后，程序开始使用类（如执行main()方法逻辑、创建对象等）。
此阶段是类的实际运行期，可能涉及动态链接、对象分配等。
7.卸载（Unloading）
当类不再被引用且符合垃圾回收条件时，JVM卸载类，释放内存。
通常由垃圾回收器（GC）处理，开发者无需干预。
条件：
  • 类的所有实例已被回收。
  • 类的Class对象无引用。
  • 类的类加载器已被回收。

运行main函数的类加载流程

  1. JVM启动，调用应用类加载器（Application ClassLoader）加载MainClass的字节码。
  1. 经过加载，在方法区创建MainClass的Class对象。
  1. 验证确保字节码合法（如检查public static void main(String[] args)签名）。
  1. 准备为MainClass的静态变量分配内存，赋默认值。
  1. 解析将main方法的符号引用替换为直接引用，指向方法区中main方法的代码。
  1. 初始化执行MainClass的静态变量赋值和静态代码块。
  1. JVM调用main方法，进入程序执行阶段（使用）。
  1. 程序结束后，若MainClass不再被引用，可能被卸载。

2️⃣ 类加载器和双亲委派机制

Java的类加载器采用双亲委派模型，按层级分工加载不同来源的类。
1.引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）
职责：加载JVM核心类库，位于<JAVA_HOME>/jre/lib目录下的rt.jar（包含java.lang.*等）、charsets.jar等。
特点：
  • 由C++实现，非Java类，无父加载器。
  • 负责加载JVM运行所需的基础类（如Object、String）。
  • 无法直接访问（ClassLoader.getSystemClassLoader()不返回它）。
示例：加载java.lang.Object、java.util.ArrayList。
2.扩展类加载器（Extension ClassLoader）
职责：加载<JAVA_HOME>/jre/lib/ext目录下的扩展JAR包或指定的扩展类库。
特点：
  • 由Java实现，父加载器为引导类加载器（实际为null，表示引导类加载器）。
  • 用于加载标准库之外的扩展功能。
示例：加载安全管理类（如javax.crypto.*）。
3.应用程序类加载器（Application ClassLoader）
职责：加载ClassPath环境变量、-cp选项或JAR包中的类，主要加载用户编写的类。
特点：
  • 默认加载用户代码（如运行main函数的类）。
  • 由Java实现，父加载器为扩展类加载器。
  • 也称为系统类加载器（ClassLoader.getSystemClassLoader()返回它）。
示例：加载MainClass或项目中的自定义类。
4.自定义类加载器（Custom ClassLoader）
职责：加载用户指定的非标准路径下的类或自定义加载逻辑。
特点：
  • 继承java.lang.ClassLoader，重写findClass或loadClass方法。
  • 用于特殊场景，如动态加载、加密类文件、热部署等。
  • 父加载器通常为应用程序类加载器（视定义而定）。
示例：加载网络下载的字节码、插件系统中的类。

1.双亲委派模型

类加载器遵循双亲委派机制，确保类的唯一性和安全性：
  • 收到加载请求时，先委托给父加载器（递归向上）。
  • 父加载器无法加载时，子加载器才尝试加载。
  • 最终由引导类加载器或合适的加载器完成加载。
优点：
  • 安全性：防止用户自定义类覆盖核心类（如java.lang.String）。
  • 唯一性：确保同一类只加载一次，避免冲突。
  • 效率：优先加载核心类库，减少重复加载。

2.类加载器在运行main函数中的作用

  • JVM启动，调用应用程序类加载器加载MainClass。
  • 加载过程中，依赖的核心类（如String）由引导类加载器加载。
  • 如果MainClass使用扩展库（如javax.crypto），由扩展类加载器加载。
  • 自定义加载器通常不直接参与，除非MainClass位于非标准路径或动态加载。
  • 加载完成后，进入验证、准备、解析、初始化阶段，最终执行main方法。

3.为什么要设计双亲委派机制？

沙箱安全机制
自己写的java.lang.String.class类不会被加载，这样便可以防止核心API库被随意篡改。
 
避免类的重复加载
当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次，保证被加载类的唯一性。

4.打破双亲委派

为什么需要打破双亲委派？
某些场景下，双亲委派模型限制了灵活性，需通过自定义类加载器打破规则：
  • 类隔离：不同模块或应用需加载同名但不同版本的类（如Web应用中的库冲突）。
  • 动态加载：运行时加载外部字节码（如插件系统、热部署）。
  • 版本管理：支持多个版本的同一类库共存（如不同Web应用依赖不同版本的Spring）。
  • 特殊加载逻辑：加载加密类、远程类或自定义路径的类。
如何打破双亲委派？
打破双亲委派通常通过自定义类加载器，重写ClassLoader的loadClass方法或直接实现加载逻辑。
重写loadClass方法
  • 默认情况下，ClassLoader.loadClass实现双亲委派逻辑。
  • 重写后可自定义加载顺序，优先尝试本地加载而非委托父加载器。
  • 示例代码：
直接调用defineClass
  • 绕过loadClass，直接从字节码定义类。
  • 常用于动态加载外部字节码（如插件或热部署）。
  • 示例：
使用线程上下文类加载器
  • 通过Thread.setContextClassLoader设置自定义类加载器，绕过默认加载器。
  • 常用于框架（如JDBC、Spring）动态加载实现类。
  • 示例：
典型场景与实现
1️⃣ Web容器（如Tomcat）
需求：每个Web应用需加载自己的依赖库（如不同版本的Spring），避免冲突。
实现：
  • Tomcat使用WebappClassLoader为每个Web应用创建独立类加载器。
  • 优先加载WEB-INF/lib和WEB-INF/classes中的类，绕过双亲委派。
  • 核心库（如Servlet API）仍由共享的CommonClassLoader加载。
效果：实现类隔离，同一服务器上多个Web应用可使用不同版本的类库。
2️⃣ 模块化框架（如OSGi）
需求：支持动态加载和卸载模块，模块间类隔离。
实现：
  • 每个Bundle（模块）有独立的类加载器。
  • 自定义加载逻辑，优先加载模块内部类，必要时导入其他模块的类。
效果：模块间互不干扰，支持热更新。
3️⃣ 热部署与插件系统
需求：运行时加载新类或更新类（如IDE插件）。
实现：
  • 自定义类加载器从指定路径或网络加载字节码。
  • 直接调用defineClass定义类，绕过父加载器。
4️⃣ SPI（Service Provider Interface）
需求：核心类（如JDBC驱动）需加载用户实现的类，但核心类由引导类加载器加载，无法访问用户类。
实现：
  • 使用线程上下文类加载器加载用户实现的类。
  • 示例：JDBC的DriverManager通过上下文类加载器加载第三方驱动。

3️⃣全盘负责委托机制

“全盘负责”是指当一个ClassLoder装载一个类时，除非显示的使用另外一个ClassLoder，该类所依赖及引用的类也由这个ClassLoder载入。
打破双亲委派意味着类加载器不再严格遵循“委托父加载器优先”的规则，而是由自定义类加载器全盘负责类的加载逻辑。这种方式常见于需要灵活控制加载行为的场景（如Web容器、模块化框架）。以下是“全盘负责”的机制和实现方式：
 
当打破双亲委派，自定义类加载器需要：
  • 完全控制类查找路径：从特定目录、网络、数据库等加载字节码。
  • 管理类隔离：确保同名类在不同上下文不冲突。
  • 处理依赖：手动解析类的依赖关系（如加载依赖的其他类）。
  • 验证与定义：确保字节码合法，并将其定义为Class对象。
 
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