JVM 进阶 (十四)——初识 JAVA 类加载机制

2022 年 5 月 19 日
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从本篇博文开始，我们就进入虚拟机类加载机制的学习了。那么什么是类加载呢？当我们写完一个 Java 类的时候，并不是直接就可以运行的，它还要编译成.class(字节码)文件，再由虚拟机解释给当前的操作系统去执行。这些过程都是我们看不见的，我们能看见的也就是一个.class文件。既然虚拟机要解释这些.class文件给当前的操作系统听，那么他怎么获得这些.class文件呢？虚拟机获得这些.class文件的过程就是类加载了。

所以，总结来说就是：虚拟机将.class文件从磁盘或者其他地方加载到内存，并同时对文件中的数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接识别的类型，这就是类加载机制！

首先我们来看看类的一个生命周期：

总共有加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。其中前面的 5 个阶段就是我们要说的类加载机制了，验证、准备、解析阶段又统称为连接阶段。注意：解析阶段不一定会在准备阶段之后就执行，也有可能会在初始化阶段之后，这是为了支持 JAVA 的动态绑定的特性。

什么是动态绑定呢？相信大家都知道 JAVA 的 4 大特性吧：封装、继承、抽象、多态。其实多态就可以理解为动态绑定。多态的实现机制就是：**父类或者接口可以创建他们的子类或者实现类的实例对象。**简单的来说就是：父类可以 new 出子类，接口可以 new 出他的实现类。

多态通俗来说就是：父类 A 有一个方法 function()，子类 B,C 分别继承 A 并且重写 function()，当创建一个对象 A b = new B(); b.function()就调用 B 的 funciotn,假如你 new C(),那调用的就是 C 重写的 function。虚拟机怎么判断你使用的是哪个类的 function 就是动态绑定，这个现象就是多态。

装载的第一步就是要获得二进制的字节流，它可以从读.class 文件获得，也可以从网络中接收别人发送的字节流。反正只要符合虚拟机规定的字节流格式都可以进入这个阶段。

有了字节流之后，要进行装载还需要一个工具，那就是加载器了。加载器既可以使用系统提供的引导类加载器，也可以使用用户自己定义的加载器，只需要继承 ClassLoader，再重写 loadClass()方法就可以实现一个自己的简单加载器。

像上面的代码那样，就是一个简单的类加载器。当我们要自己加载某个类的时候，就可自己调用 loadClass 方法，参数通常为要加载类的全类名，再根据 name 获得文件，得到字节流后便可加载，示例代码如下：

public class Test extends ClassLoader{	@Override	public Class<?> loaderClass(String name) throws ClassNotFoundException {		// 获得.class文件的名称		String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";		try {			InputStream is = new FileInputStream(fileName); // 获得字节流			if(is == null) { // 若为空，就调用父类加载器				return super.loadClass(name);			}			byte b[] = new byte[is.available()];			is.read(b); //将字节流全部读进字节数组			// 进入接下来的阶段			return defineClass(name, b, 0, b.length);		} catch (FileNotFoundException e) {			e.printStackTrace();		}	} catch (IOException e) {			e.printStackTrace();	}	return super.loadClass(name);}

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一般的工作情况下我们不会自己去实现加载器，都是采用系统默认的加载器。绝大部分 Java 程序都会使用到系统提供的以下 3 种加载器：

Bootstrap ClassLoader：启动类加载器。负责加载 JAVA_HOME/lib/里所有能被虚拟机识别的类（如：rt.jar）。无法被 Java 程序直接引用，由 C++实现，不是 ClassLoader 子类。
Extension ClassLoader：扩展类加载器。负责加载 java 平台中扩展功能的一些 jar 包，包括 JAVA_HOME/lib/ext/目录中的或 java.ext.dirs 系统变量指定目录下的所有类库。是 ClassLoad 的子类，开发者可以直接使用该加载器。
App ClassLoader：应用程序类加载器。负责加载 classpath 中指定的 jar 包及目录中 class。getSystemClassLoader()的返回值就是该加载器，开发者可以直接使用该加载器。