Java 类加载过程与类加载器详细介绍

让我为您讲解一下 "Java 类加载过程与类加载器详细介绍" 的完整攻略。

什么是类加载？

Java 语言是一种面向对象程序设计语言，其中最基本的组成单位是类。在 Java 语言中，类是由编译器编译 Java 代码后生成的字节码文件，这些字节码文件最终是由 Java 虚拟机来执行的。而在 Java 虚拟机的执行过程中，类加载器则负责将类文件加载到 JVM 中进行执行。

类加载过程是 Java 虚拟机执行程序时不可避免的一部分。类加载器负责管理 Java 类的加载、验证、解析和初始化等工作。只有在类被加载到 JVM 中后，才能开始执行相应的方法。

类加载的过程

类加载过程主要包括三个步骤：加载、链接和初始化。

加载

类加载器在类加载的过程中，首先需要从 classpath 中找到指定的字节码文件，并将其加载到 JVM 的内存中。在运行期间，类加载器将一个类的全限定名作为输入，然后返回表示此类的实例。类加载器并不关心这些字节码的来源，可以来自本地磁盘、网络等任何地方。

一个类文件只有在第一次加载时才会被解析并填充到内存中去

链接

在将 Class 文件加载到内存之后，Java 虚拟机还需要完成以下三个步骤的检查和处理：

1. 验证：主要是对字节码文件进行验证，确保其格式符合 JVM 的要求，比如能否转换成正确的 Class 文件格式，是否有明显的安全问题等；
2. 准备：这个阶段主要是为类变量（即 static 变量）分配内存并设置其初始值；
3. 解析：将符号引用转换为直接引用，这是Java虚拟机规范预留的，目的在于支持使用 Java 语言实现的“动态绑定”。

初始化

在完成类的加载和链接之后，JVM 执行类的初始化操作。初始化过程是类加载过程中的最后一个阶段，该阶段目的是对类变量进行赋值，静态语句块和静态方法也会得以执行。类中的类变量是在准备阶段分配的内存空间，而在初始化阶段会完成变量的赋值，因此才能被使用。一个类在进行初始化时，可能需要执行与其他类有依赖关系的变量或方法。JVM 通常采用按照代码中顺序初始化的方式完成初始化工作。

类加载器分类

Java 类加载器一般被分为以下四种：

1. BootStrapClassLoader（启动类加载器）：用于加载 JDK 中的核心类库，是 Java 虚拟机自带的类加载器，负责加载 Java 的核心类库，如 JRE/lib 目录下的 rt.jar 包中所有的类。
2. ExtensionClassLoader（扩展类加载器）：用于加载在 Java 虚拟机设置的扩展目录（JAVA_HOME/jre/lib/ext 或者由系统变量 java.ext.dir 指定的目录）中的所有类。它的父类加载器为启动类加载器。
3. AppClassLoader（系统类加载器）：负责加载应用程序 ClassPath 目录下的所有类。当执行 java 命令时，系统类加载器会自动从环境变量 CLASSPATH 中获取类加载路径。
4. 自定义类加载器：开发人员可以根据需要自己编写类加载器，继承自ClassLoader，实现findClass()方法，通过定义相应的规则，例如从网络上下载类文件，从特定文件夹中读取类文件等。

类加载器示例

下面，我用两个示例来说明类加载器的应用。

示例一

假设我们有以下两个 Java 类，它们位于 /path/to/ClassA 和 /path/to/ClassB 中，ClassB 文件需要依赖 ClassA。

package org.example;

public class ClassA {
    public void hello() {
        System.out.println("Hello from ClassA!");
    }
}

package org.example;

public class ClassB {
    public void hello() {
        ClassA a = new ClassA();
        a.hello();
        System.out.println("Hello from ClassB!");
    }
}

在我们使用 javac 命令编译这两个类之后，会在我们当前的工作目录下生成两个 .class 文件，在这里使用相对路径表示。

接下来，我们在一个 Java 类中，使用自定义类加载器加载这两个类，并执行 ClassB 类的 hello 方法。

import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            byte[] bytes = Files.readAllBytes(Paths.get(name + ".class"));
            return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
        } catch (Exception e) {
            return super.findClass(name);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException,
            IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException {

        CustomClassLoader customClassLoader = new CustomClassLoader();
        Class<?> classA = customClassLoader.loadClass("org.example.ClassA");
        Object instanceA = classA.newInstance();
        Method methodA = classA.getMethod("hello");
        methodA.invoke(instanceA);

        Class<?> classB = customClassLoader.loadClass("org.example.ClassB");
        Object instanceB = classB.newInstance();
        Method methodB = classB.getMethod("hello");
        methodB.invoke(instanceB);
    }
}

通过运行上述代码，我们可以看到，类 ClassB 被成功加载并调用。

示例二

再来看一个示例，它用这自定义类加载器，从指定的远程 HTTP 服务器中加载类文件。

我们使用 Maven 的一个插件（远程 JAR 插件）来实现将 Demo 类加载到服务器上的过程。在这个示例中，我们假设这个插件将 Demo 类和它所依赖的类上传到了服务器的指定目录下。

import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;

public class CustomClassLoaderDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        URL[] urls = {new URL("http://localhost:/path/to/Demo.jar")};
        URLClassLoader classLoader = new URLClassLoader(urls);
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("org.example.Demo");
        Object obj = clazz.newInstance();
        System.out.println(obj.toString());
    }
}

在这个示例中，我们使用了 URLClassLoader 类来加载 Demo 类。它的作用是创建一个新的 URLClassLoader 对象，然后从指定的远程服务器中加载 Demo 类。需要注意的是，在使用URLClassLoader类时一定要提供正确的 URL 连接，否则会抛出 MalformedURLException 异常。

以上就是 Java 类加载过程与类加载器详细介绍的完整攻略，希望能够帮助到您。