JVM类加载器大比拼：谁才是Java程序的真正主宰？

类加载器

概述
类加载器定义
类加载器种类
- 启动类加载器
- 扩展类加载器
- 系统类加载器
- 自定义类加载器
- 继承关系
- 特点
类加载机制
类名称空间
性能优化

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概述

JVM（Java虚拟机）的类加载器是Java的核心组件之一，负责将Java字节码文件加载到JVM中，并将其转换为可以执行的Java类。

类加载器的主要职责：

加载类：根据类的全限定名，将类的字节码文件加载到JVM中，并为其创建一个Class对象。
链接类：验证类的字节码是否符合Java虚拟机规范，并准备类的静态变量（即初始化静态变量为默认值）。
初始化类：执行类的静态初始化代码，包括静态变量初始化和静态代码块执行。

类加载器定义

类加载器是Java虚拟机（JVM）中的一个组件，它的主要作用是将Java源代码编译成可执行的字节码，并将其加载到JVM中。

类加载器在Java中扮演着关键的角色，它们使Java具备了动态加载和隔离不同类的能力。具体来说，类加载器负责从文件系统、网络或其他来源读取类文件（.class文件），并将其转换为JVM中的可执行代码。这个过程分为两个步骤：首先是加载类，通过读取类文件并创建一个代表该类的Class对象；其次是链接类，包括验证、准备和解析类文件中的符号引用。

类加载器还遵循双亲委派模型，即子类加载器在收到类加载请求时，首先将请求委派给父类加载器，只有在父类加载器无法完成加载请求时，子类加载器才会尝试自己去加载。这种机制可以保证Java核心API的稳定性和防止某些安全问题。

类加载器种类

类加载器主要有三种：启动类加载器、扩展类加载器和系统类加载器。启动类加载器负责加载Java核心类库，扩展类加载器负责加载java.ext.dirs系统属性中指定的目录或JDK安装目录的lib/ext子目录下的类库，而系统类加载器则负责从Classpath环境变量中加载应用相关的类。

启动类加载器

Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）是Java虚拟机（JVM）中的一种特殊类加载器，它是JVM的内部组成部分，主要负责加载Java核心类库，如java.lang包中的类以及其他基础的类，这些类通常是JVM运行所必需的类。

Bootstrap ClassLoader 的主要特点：

加载核心类库： Bootstrap ClassLoader负责加载JVM运行时环境所需的核心类库，这些类库通常包括Java标准库中的一些基础类，如Object类、String类等。这些类在JVM启动时就会被加载，因此无法通过普通的类加载器重新加载或替换。
不是普通的ClassLoader： Bootstrap ClassLoader 不是普通的Java类加载器，它通常是用本地代码（C/C++）实现的，与普通的Java类加载器不同。这使得它能够加载基础类库，而不受Java应用程序的类加载器体系的影响。
无法被替换： 由于Bootstrap ClassLoader加载的类是JVM运行所必需的核心类库，它们不能被普通的Java类加载器替换或重新加载。这确保了JVM的稳定性和安全性。

Bootstrap ClassLoader是JVM的内部组件，负责加载JVM运行所需的核心类库，具有特殊的地位和特点，通常不会被普通的Java应用程序代码所涉及。

示例：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用核心类
        String message = "Hello, World!";
        System.out.println(message);
        
        // 使用Object类
        Object obj = new Object();
        
        // 等等...
    }
}

扩展类加载器

Extension ClassLoader（扩展类加载器）是Java虚拟机（JVM）的一个重要组成部分，它的主要职责是加载Java标准扩展库中的类和用户自定义的扩展类。
Extension ClassLoader的主要职责和工作方式：

加载扩展类库： Extension ClassLoader负责加载位于JRE（Java Runtime Environment）的lib/ext目录下的JAR文件中的类。这些JAR文件包含了Java标准扩展库，例如Java Cryptography Extension（JCE）或Java Naming and Directory Interface（JNDI）等。
工作方式： Extension ClassLoader是JVM中的一个普通的Java类加载器，它的工作方式与其他普通的类加载器类似，但有一点不同，它是通过父类加载器的方式工作的。通常情况下，Extension ClassLoader的父类加载器是Bootstrap ClassLoader。这意味着它首先会尝试从Bootstrap ClassLoader加载类，如果找不到类，它才会尝试从自己的类路径中加载。
类路径： Extension ClassLoader的类路径通常包括JRE的lib/ext目录下的JAR文件。这个类路径是通过系统属性 java.ext.dirs 来指定的。
用户自定义扩展类： 除了加载标准扩展库，Extension ClassLoader还可以加载用户自定义的扩展类，只要这些类位于java.ext.dirs目录下或其子目录中。这允许开发人员将自己的扩展类添加到JRE，以扩展Java的功能。

Extension ClassLoader的主要职责是加载Java标准扩展库中的类和用户自定义的扩展类，它通过委派给Bootstrap ClassLoader来加载标准扩展库中的类，同时也可以加载用户自定义的扩展类。这有助于扩展Java的功能和功能。

示例：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用Extension ClassLoader加载自定义扩展类
        MyExtensionClass extensionClass = new MyExtensionClass();
        extensionClass.printMessage();
    }
}

系统类加载器

Application ClassLoader（应用程序类加载器），也被称为System ClassLoader，是Java虚拟机（JVM）中的一种类加载器。它的主要作用是加载应用程序开发者编写的Java类，这些类通常位于应用程序的类路径（Classpath）下。
Application ClassLoader在应用程序中的作用：

加载应用程序类： Application ClassLoader负责加载应用程序开发者编写的Java类，包括应用程序的主类和所有相关的库和依赖。这些类通常位于应用程序的类路径中，可以通过CLASSPATH环境变量或者 -classpath 命令行参数来指定。
应用程序隔离性： Application ClassLoader为不同的Java应用程序提供了隔离性。不同的Java应用程序可以拥有自己独立的类加载器实例，这样它们不会相互干扰，即使它们使用相同的类名也不会发生冲突。这有助于确保应用程序的独立性和隔离性。
动态加载： Application ClassLoader允许应用程序在运行时动态加载类。这对于插件化架构和动态模块加载非常有用，应用程序可以根据需要加载额外的类，而无需重新启动。
类版本控制： Application ClassLoader还负责管理和控制已加载类的版本。如果应用程序需要升级某个类，它可以确保加载新版本的类而不会与旧版本发生冲突。

Application ClassLoader在应用程序中的主要作用是加载应用程序开发者编写的Java类，提供应用程序隔离性，支持动态加载，并管理类的版本控制。这是Java应用程序在JVM中正常运行的关键组成部分。

示例：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        /* 
        使用Application ClassLoader加载类
        Application ClassLoader会自动加载应用程序类 
        */
        MyClass myObject = new MyClass();
        myObject.printMessage();
    }
}

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

自定义类加载器

除了上述三种类加载器，还有一种比较特殊的类加载器——自定义类加载器（Custom Class Loader）。自定义类加载器允许开发者自己实现类加载器的逻辑，以满足特定场景的需求。这些类加载器需要继承自ClassLoader类，并重写findClass()方法来指定加载过程。例如，可以实现一个加载指定路径下所有jar文件的类加载器，或者实现一个加密/解密字节码的类加载器等。想了解更多自定义类加载器的可以看上文动态类加载

继承关系

在Java中，类加载器的继承关系为：ClassLoader ->SecureClassLoader -> URLClassLoader -> AppClassLoader -> ExtClassLoader -> BootstrapClassLoader。其中，AppClassLoader和ExtClassLoader是系统类加载器和扩展类加载器的实例，而BootstrapClassLoader是启动类加载器的实例。开发者可以通过继承ClassLoader类或URLClassLoader类来实现自定义类加载器。
图解如下：

需要注意的是，Java虚拟机规范并没有强制要求实现这三种类型的类加载器，但是大多数Java虚拟机实现都会提供这三种类型的类加载器。

特点

JVM类加载器有以下特点：

分层：JVM类加载器分为多个层次，每个层次都有自己的类加载器和父级类加载器。开发者可以创建自定义类加载器，并将其添加到任何级别的层次中。
隔离：每个类加载器都有自己的命名空间，其中包含由其加载的所有类。因此，不同类加载器可以加载具有相同名称的类，但这些类的实例不会相互干扰。
动态性：开发者可以创建自定义类加载器来动态地加载Java类。例如，Web服务器可以使用自定义类加载器来加载Web应用程序所需的Java类。
缓存：JVM会缓存已加载的类的元数据信息，以便在再次需要时快速访问。

类加载机制

动态类加载

类名称空间

判断类是否“相等”?
任意一个类，都由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在 Java 虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都有一个独立的类名称空间。
因此，比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个 Class 文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那么这两个类就必定不相等。
这里的“相等”，包括代表类的 Class 对象的 equals() 方法、isInstance() 方法的返回结果，也包括使用 instanceof 关键字做对象所属关系判定等情况。

性能优化

减少类加载器的数量：在应用程序中使用过多的类加载器会降低性能，因此应该尽量减少类加载器的数量。
使用缓存：对于已经加载的类，可以使用缓存技术进行存储和管理，避免重复加载同一个类。Java中的类加载器可以缓存已经加载的类，因此使用缓存可以减少加载时间和提高性能。
使用类预加载技术：对于需要经常使用的类，可以使用类预加载技术，通过预先加载类来提高类的访问速度。可以使用静态变量或者单例模式等技术来预加载类。
优化类的加载顺序：对于应用程序中频繁使用的类，可以优化它们的加载顺序，使其先加载，从而减少应用程序的启动时间。
使用轻量级类库：Java中有许多轻量级的类库，可以提高应用程序的性能。这些类库通常具有更小的代码库和更快的加载速度，因此可以提高应用程序的性能。
使用JIT优化：Java HotSpot虚拟机中自带JIT编译器，可以将字节码编译为本地机器码，从而提高性能。

参考文献
虚拟机规范
深入理解Java虚拟机
openjdk

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