Class Loading in Java

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Jan 12, 2024
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Java
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Java Program Execution Lifecycle

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当我们写好一个 Java 程序，在 IDE 中点击运行时，它是如何被运行的？首先 Java 源代码经过 javac 编译为字节码，每个类会生成一个对应的 class 文件；在我们第一次使用某个类时，类加载器会将这个类以及相关的类的字节码加载进入 JVM，JVM 解释执行字节码（当然还包括了 JIT）；因此，总结来说，Java 程序的执行周期可以概括为：编译，类加载，执行。

Runtime Type Identification(RTTI)

在编写 Java 程序时，有时我们希望在运行时获取某个对象的实际类型信息（往往是在使用多态的时候我们希望对某些子类做特定处理），在 Java 中可以通过获取对象所属类型的 `Class` 对象来实现，可以通过定义在 Object 类中的 getClass()来得到 Class 对象。每一个类都持有其对应的Class类的对象的引用，其中包含着与类相关的信息。
而 Class 对象的来源正是其代表的类对应的字节码文件，其中包含着类型信息。
JVM 运行代码的第一步，就是将要使用的类的字节码加载到 JVM 内存中，这个工作是由 ClassLoader 类的对象来完成的。

Java Default ClassLoader

前文提到，要使用一个类需要先加载其对应的字节码，但是 ClassLoader 本身也是一个 Java 类，因此 Java 提供了一个以机器码形式存在的 Bootstrap ClassLoader，用来加载 Java 的核心类，比如 rt.jar 和 $JAVA_HOME/jre/lib 下的 Java 核心类。
此外，Java 还提供了一个 Extension/Platform ClassLoader 来加载一些平台相关的，不属于标准 Java 核心库的类，比如那些在 $JAVA_HOME/lib/ext 中的类。
而 System/Application ClassLoader 用来加载那些应用级别的类，比如那些在 classpath 所指定的路径下的类。

When the JVM requests a class?

  • 第一次引用静态成员（构造函数也属于静态方法，因此也是引用静态成员）
  • java.lang.Class.forName()
  • …
  • 总结来说就是你需要用到类型信息的时候就会加载。

How does ClassLoader Work?

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类加载器的工作方式可以用一种称为双亲委派模型的方式来描述，当收到对某个类的类加载请求时：
  • 首先将请求委派给父加载器处理（这里的父并不指继承关系，仅指在双亲委派模型中的层级关系）。
  • 若父加载器找到，则加载之后将结果传回给子加载器。
  • 若父加载器找不到，或者没有父加载器，则自己处理，在自己负责的位置寻找类对应的字节码文件。
  • 若最终仍然找不到，则抛出异常。

Consequences of the Delegation Model

委派模型带来的两个结果是：
  • 类的唯一性：只有父加载器找不到的类子加载器才会自己加载，因此由不同加载器加载进来的类都是不同的。
  • 可见性：子加载器可以看见父加载器加载的类，而反过来不行。这也就避免了用户自己写一个类恶意替换掉某些 Java 核心类，比如 String.

Customize ClassLoader

开发者可以通过继承 ClassLoader 类来自定义 Application 级别的类加载器。
但是，这有什么用？
  • 需要修改现有字节码的场景：比如热部署。
  • 加密：核心代码不想公开，但是又需要使用，可以将加密后的字节码交给类加载器加载，再采用某种解密算法将真正的类载入JVM，保证核心代码不被反编译泄漏。
  • 需要从本机硬盘之外的地方加载字节码：比如网络。
  • …

Summary

  • 所有的类都是在对其第一次使用时，动态加载到JVM中去的。
  • 当程序创建第一个对类的静态成员的引用时，JVM会使用类加载器来根据类名查找.class文件。
  • 一旦某个类的Class对象被载入内存，它就被用来创建这个类的所有对象
 

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