深度解析JVM类加载器与双亲委派模型

概述

Java虚拟机（JVM）是Java程序运行的核心，其中类加载器和双亲委派模型是JVM的重要组成部分。本文将深入讨论这两个概念，并解释它们在实际开发中的应用。

1. 什么是类加载器？

类加载器是JVM的一部分，负责加载Java类的字节码文件。Java应用程序中的每个类都必须由类加载器加载，类加载器将类的字节码文件从磁盘或网络加载到内存中，并在JVM中创建一个对应的Class对象。

类加载器工作原理示意图

2. 什么是双亲委派模型？

双亲委派模型是一种类加载器之间的层次结构，它通过父类加载器委派给子类加载器加载类。当一个类需要被加载时，首先会请求父类加载器加载，只有当父类加载器无法加载时，才由子类加载器尝试加载。这种层次结构有助于保持类的唯一性，防止重复加载，提高安全性。

详解原理分析

1. 类加载器的工作原理

类加载器按照三个阶段加载类：加载、连接和初始化。加载器根据类的全名定位类的二进制字节流，然后将其转化为Class对象。

类的加载过程

/**
 * 类加载子系统 
 * 
 */
public class HelloLoader {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("类加载....");
    }
}

加载阶段

1. 获取类的二进制字节流

   • 通过类的全限定名获取定义此类的二进制字节流。

2. 转化为方法区的运行时数据结构

   • 将字节流代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。

3. 生成java.lang.Class对象

   • 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的访问入口。

加载class文件的方式

• 本地系统中直接加载
• 通过网络获取（Web Applet）
• 从zip压缩包中读取（基础为jar、war格式）
• 运行时计算生成（动态代理技术）
• 由其他文件生成（JSP应用从数据库提取）
• 从加密文件中获取（防Class文件反编译保护）

链接阶段

验证（Verify）

• 目的：确保Class文件的字节流中包含信息符合虚拟机要求，保证加载的类正确性，不危害虚拟机自身安全。
• 验证包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

准备（Prepare）

• 为类变量分配内存并设置默认初始值，即零值。
• 类变量会分配在方法区中。
• 不包含使用final修饰的static，因为final在编译时就分配并显式初始化。
• 实例变量随对象分配到Java堆中。

解析（Resolve）

• 将常量池内的符号引用转换为直接引用。
• 解析操作通常在初始化之后执行。
• 解析针对类、字段、类方法、接口方法、方法类型等。

初始化阶段

• 执行类构造器<clinit>()的过程，该方法由编译器自动收集类中的类变量赋值动作和静态代码块中的语句合并而来。
• 静态变量在准备阶段赋初值，初始化阶段才是实际值。
• 初始化顺序按源文件中出现的顺序执行。
• 父类的<clinit>()在子类的<clinit>()之前执行，确保父类初始化完毕。

类加载器分类

1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

   • 加载核心库，不继承ClassLoader，父加载器为null。
   • 加载java、javax、sun等开头的类。

2. 扩展类加载器（Extension ClassLoader）

   • 加载扩展目录中的类库。

3. 应用程序类加载器（AppClassLoader）

   • 加载classpath或系统属性java.class.path指定路径下的类库。
   • 系统默认的类加载器。

4. 用户自定义类加载器

   • 通过继承ClassLoader实现，用于隔离加载类、修改加载方式、扩展加载源、防止源码泄漏。

2. 双亲委派模型的工作流程

• 当一个类加载器收到加载请求时，首先检查自己是否已经加载了这个类。
• 如果已加载，则直接返回Class对象。
• 如果未加载，则将加载请求委派给父类加载器。
• 这一过程一直递归进行，直到根加载器，如果根加载器仍未加载，则由当前加载器加载类。

怎么打破双亲委派模型？

打破双亲委派机制则不仅要继承ClassLoader类，还要重写loadClass和findClass方法。

知识点在实际开发的应用

1. 模块化开发

双亲委派模型在模块化开发中得到广泛应用。通过将不同的功能模块交给不同的类加载器加载，可以有效隔离模块之间的类，确保模块的独立性。

案例详解：

假设我们有一个大型电商应用，分为用户模块、订单模块和支付模块。每个模块有自己的类加载器，负责加载模块内的类。这种模块化的设计可以使得每个模块独立开发、测试和部署，降低了系统的耦合性。

2. 动态加载

类加载器的灵活性使得在运行时动态加载类成为可能。这在某些框架和插件系统中得到了广泛应用，使系统更具可扩展性。

案例详解：

考虑一个图形编辑器的插件系统，用户可以根据需要选择性地加载不同的插件。每个插件都由一个独立的类加载器加载，这样用户可以在运行时添加或移除插件，无需重新启动编辑器。

总结

本文深入探讨了JVM中的类加载器和双亲委派模型，通过示意图等多种呈现形式，从概念到原理再到实际应用进行了全方位的讲解。了解这些知识对于理解Java程序的运行机制，优化性能以及实现模块化开发和动态加载都具有重要意义。通过深入学习这些内容，开发者可以更好地利用JVM的特性，写出更健壮、高效的Java应用程序。