java類加載機制
類是java編程語言的基本單元。java的源代碼經過編譯后生成java的字節碼文件（class文件），字節碼文件是以二進制的形式存儲。在運行時，這些類的字節碼文件會加載進入JVM的內存的元空間中，並且以Class<T>的形式對類進行描述。本文將詳細講解java的類加載機制。
類加載流程
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加載：通過
classloader將字節碼文件以二進制字節流的形式讀入到內存中，將字節流轉換為方法區運行時的數據結構，在內存中生成一個Class<T>對象對類進行描述。 -
鏈接：驗證階段檢查字節碼文件是否符合JVM規范，准備階段為類中的靜態字段分配內存並賦予初始值，解析階段將虛擬機中常量池中的符號引用轉化為直接引用。符號引用存在於編譯生成的字節碼中，用來描述當前類對其他類的引用。直接引用是可以是直接指向目標的指針、相對偏移量或是一個能間接定位到目標的句柄。解析階段也可以在運行過程中發生，這個跟動態語言調用相關。
- 初始化：初始化是類加載的最后一步，前面的類加載的過程中，除了在加載階段用戶應用程序可以通過自定義類加載器參與外，其余動作完全由虛擬機主導和控制。到了初始化階段，才真正開始執行類中定義的java程序代碼。它主要是負責：初始化階段是執行類構造器（靜態代碼塊）
< clinit >()方法的過程，< clinit >()是編譯器自動收集類中所有的類變量的賦值動作、靜態代碼塊產生的。
ClassLoader
ClassLoader顧名思義是類的加載器，類的加載要通過ClassLoader進行，ClassLoader的職責是將字節碼文件從磁盤或者網絡中加載進JVM內存。同時你也可以在java代碼中操作ClassLoader定義一些自定義的行為。ClassLoader是一個抽象基類，你可以繼承它重寫自己自定義的加載流程。一般我們的java類會通過幾個常見的類加載器加載，它們分為BootstrapClassLoader，ExtensionClassLoader，ApplicaitonClassLoader。
BootstrapClassLoader主要加載的是JVM自身需要的類，這個類加載使用C++語言實現的，是虛擬機自身的一部分，它負責將 <JAVA_HOME>/lib路徑下的核心類庫或-Xbootclasspath參數指定的路徑下的jar包加載到內存中，注意必由於虛擬機是按照文件名識別加載jar包的，如rt.jar，如果文件名不被虛擬機識別，即使把jar包丟到lib目錄下也是沒有作用的(出於安全考慮，Bootstrap啟動類加載器只加載包名為java、javax、sun等開頭的類)。
ExtensionClassLoader是指Sun公司(已被Oracle收購)實sun.misc.Launcher$ExtClassLoader類，由Java語言實現的，是Launcher的靜態內部類，它負責加載<JAVA_HOME>/lib/ext目錄下或者由系統變量-Djava.ext.dir指定位路徑中的類庫，開發者可以直接使用標准擴展類加載器。
ApplicationClassLoader也稱應用程序加載器是指 Sun公司實現的sun.misc.Launcher$AppClassLoader。它負責加載系統類路徑java -classpath或-D java.class.path 指定路徑下的類庫，也就是我們經常用到的classpath路徑，開發者可以直接使用系統類加載器，一般情況下該類加載是程序中默認的類加載器，通過ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以獲取到該類加載器。
雙親委派機制
雙親委派機制是指，當一個ClassLoader嘗試加載一個類時，它並不會自己加載，而是將加載任務向上委托給父加載器加載。每個ClassLoader中都有一個parent屬性，用來保存父加載器的引用。注意：父加載器並不是父類加載器，它們之間沒有類之間的繼承關系。雙親委派機制的加載流程為：在類加載器緩存中查詢，此類是否已經加載，若已加載，則直接由此加載器加載，若沒有則向上委托給父加載器加載。若最上層父加載器也未加載，則向下委托給子加載器加載。
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 首先檢查類是否已經加載過
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
// 沒有加載過，則委托父加載器加載
long t0 = System.nanoTime();
try {
if (parent != null) {
// 若有父加載器，則委托父加載加載
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
// 若沒有父加載器（最上層父加載器也未加載此類），則委托BootStrap加載器加載
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
}
if (c == null) {
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
// 這種情況代表Bootstrap加載器也未加載此類，則委托給本加載器加載。
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
// this is the defining class loader; record the stats
PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
測試雙親委派機制
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新建一個測試用的類
package misc; public class Model { static { System.out.println("類被加載了"); } public static void sayHello() { System.out.println("hello"); } } -
自己定義一個類加載器
public class MyClassLoader extends ClassLoader { private final String classPath; public MyClassLoader(String classPath) { this.classPath = classPath; } @Override protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { // 如果使用MyClassLoader加載，那么這句話將會輸出至控制台 System.out.println("使用MyClassLoader加載"); var classFilePath = classPath + "/" + name.replace(".","/").concat(".class"); var bao = new ByteArrayOutputStream(); var readByte = 1; try { var fis = new FileInputStream(classFilePath); while ((readByte = fis.read()) != -1) { bao.write(readByte); } var bytesArray = bao.toByteArray(); return defineClass(name, bytesArray, 0, bytesArray.length); } catch (IOException ex) { ex.printStackTrace(); throw new ClassNotFoundException(ex.getMessage()); } } } -
測試代碼
public static void loadClassViaMyClassLoader() throws Exception { var classLoader = new MyClassLoader("/Users/huobingnan/code/java/misc/out/production/misc"); var modelClass = classLoader.loadClass("misc.Model"); System.out.println("Model的類加載器是：" + modelClass.getClassLoader()); var sayHelloMethod = modelClass.getDeclaredMethod("sayHello"); sayHelloMethod.invoke(null); } -
測試輸出
Model的類加載器是：jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@7c53a9eb 類被加載了 hello通過輸出可以發現，Model類的加載並未使用我們自定義的
MyClassLoader，而是使用了JDK中的應用程序類加載器，這就是雙親委派機制的體現，你也可以對上述代碼進行DEBUG運行，從中便可得知類加載的途徑是MyClassLoader -> AppClassLoader -> PlatformClassLoader -> BootstrapClassLoader -> PlatformClassLoader -> AppClassLoader。注意：不同的JDK可能加載器的名稱會有所不同，筆者這里使用的是zulu-jdk-arm64。
打破雙親委派機制
通過上文的測試用例可以得知，盡管我們自定義了ClassLoader，但是由於雙親委派機制的存在，字節碼文件沒有使用我們自定義的ClassLoader加載。那么如何強制字節碼文件使特定ClassLoader加載呢？我們可以通過重寫CLassLoader.loadClass(String name, boolean resovle)方法進行。例如下面的代碼：
public class MyClassLoader extends ClassLoader
{
private final String classPath;
public MyClassLoader(String classPath)
{
this.classPath = classPath;
}
@Override
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
{
if (name.startsWith("misc"))
{
// 如果包名以misc開頭，我們使用MyClassLoader加載
return findClass(name);
}
return super.loadClass(name, resolve);
}
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException
{
System.out.println("使用MyClassLoader加載");
var classFilePath = classPath + "/" + name.replace(".", "/").concat(".class");
var bao = new ByteArrayOutputStream();
var readByte = 1;
try
{
var fis = new FileInputStream(classFilePath);
while ((readByte = fis.read()) != -1)
{
bao.write(readByte);
}
var bytesArray = bao.toByteArray();
return defineClass(name, bytesArray, 0, bytesArray.length);
} catch (IOException ex)
{
ex.printStackTrace();
throw new ClassNotFoundException(ex.getMessage());
}
}
}
更改之后，再次使用上文中的測試代碼進行測試：
使用MyClassLoader加載
Model的類加載器是：misc.MyClassLoader@d041cf
類被加載了
hello
這里可以看到，通過重寫loadClass方法，我們可以自定義類加載行為，打破雙親委派機制。
打破雙親委派機制帶來的問題
雖然我們自定義了類加載，並且打破了雙親委派機制，使得我們可以自定義類加載器加載類的行為。但是打破雙親委派機制后會帶一個問題：
public static void testClassLoaderCastBehavior() throws Exception
{
var classLoader = new MyClassLoader("/Users/huobingnan/code/java/misc/lib");
var modelClass = classLoader.loadClass("misc.Model");
var object = modelClass.getConstructor().newInstance();
var model = (Model)object;
}
使用MyClassLoader加載
類被加載了
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: class misc.Model cannot be cast to class misc.Model (misc.Model is in unnamed module of loader misc.MyClassLoader @d041cf; misc.Model is in unnamed module of loader 'app')
at misc.ClassLoaderTest.testClassLoaderCastBehavior(ClassLoaderTest.java:19)
at misc.ClassLoaderTest.main(ClassLoaderTest.java:85)
使用自定義類加載器，在文件系統中加載了一個類，這個類與我們項目類路徑中的Model類定義完全一致，但是他們之間並不能進行強制類型轉換。這也就是說，雖然我們可以加載這個類，但是在使用的時候只能通過反射的方式進行。我們知道通過反射對一個類進行操作會帶來隱患，而且對於用戶來說，這樣的調用操作並不直觀。
同時，這種行為也限制了我們在項目中保留接口定義的情況下，無法通過類加載器的加載實現類並強制轉換使用。
如果想要通過接口的形式進行上述操作需要借助java的SPI機制。
參考文獻
- 張善香. 解析Java虛擬機開發：權衡優化，高效和安全的最優方案[M]. 北京: 清華大學出版社: 2013.
- java類加載機制（全套）https://juejin.cn/post/6844903564804882445
- Java SPI機制 https://zhuanlan.zhihu.com/p/28909673