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秋招Day11 - JVM - 类加载机制

article 2025/6/1 6:51:19

了解类的加载机制吗？

JVM是运行Java字节码，也就是运行.class文件的虚拟机，JVM把.class文件中描述类的数据结构加载到内存中，并对数据进行校验，解析和初始化，最终转化为JVM可以使用的类型（Klass），这个过程被称为类加载。

元空间（方法区）
├── ClassA的空间
│ ├── ClassA的Klass元数据
│ └── ClassA的运行时常量池
├── ClassB的空间
│ ├── ClassB的Klass元数据
│ └── ClassB的运行时常量池
└── ClassC的空间
├── ClassC的Klass元数据
└── ClassC的运行时常量池

其中最重要的三个概念：

类加载器：负责加载class文件到内存中，生成Klass元数据结构
类加载过程：包括加载、验证、准备、解析和初始化
双亲委派模型：当一个类加载器收到类加载请求时，它会把请求委派为父类加载器进行，依次递归直到到达最顶层，如果父加载器无法完成请求，发出委托的子加载器才会尝试加载

类加载器有哪些？

启动类加载器：负责加载JVM的核心类库
外部类加载器：负责加载JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下的类库
应用程序类加载去：负责加载classpath下的类库
用户自定义类加载器：负责加载网络上的类、执行热部署（动态加载和替换应用程序的组件），通过继承ClassLoader类实现

说一下类的生命周期

加载 -> 连接（验证 -> 准备 -> 解析） -> 初始化 -> 使用 -> 卸载

类装载的过程了解吗？

包括载入，链接和初始化

载入：将class文件中的类的元数据相关的数据结构信息装载到内存中
链接：
1. 验证：验证类文件格式是否符合JVM规范
2. 准备：为类的静态变量分配内存并赋默认值
3. 解析：将符号引用替换为直接引用
初始化：执行静态代码块和静态变量初始化

载入过程JVM会做什么？

通过类的全限定名来获取此类的二进制字节流
将二进制字节流中的有关类的元数据的静态信息转化为元空间中的Klass，并创建运行时常量池
在堆中创建Class对象

为什么要用双亲委派模型？

为了避免类的重复加载：父加载器加载的类，子类无需重复加载
保证核心类库的安全：比如java.lang.*下面的类只能由启动类加载器加载，防止被篡改

如何破坏双亲委派机制？

重写ClassLoder的loadClass方法，不会委托给父类而是自己加载

如果重写findClass方法，并不会破坏双亲委派机制，而是自定义了自己的类加载机制

有哪些破坏双亲委派机制的典型例子？

第一种：SPI加载JDBC驱动
JDBC的核心SPI接口（如 java.sql.Driver）由 Bootstrap ClassLoader 加载。

但具体的JDBC SPI的驱动实现（如 MySQL Connector/J, PostgreSQL JDBC Driver等）是由各数据库厂商提供的，通常放在应用程序的 classpath下，由 Application ClassLoader 加载。

当 java.sql.DriverManager (由Bootstrap ClassLoader加载) 需要加载并注册具体的驱动实现时，父加载器加载的类对于子加载器是可见的，但父加载器Bootstrap加载的类无法直接看到 Application ClassLoader 加载的类。

为了解决这个问题，JDBC使用了SPI机制。DriverManager 会使用线程上下文类加载器 (Thread Context ClassLoader) 来加载这些SPI实现。线程上下文类加载器通常是 Application ClassLoader，这样就允许了父加载器（Bootstrap）去请求子加载器（Application）加载类，这实际上是双亲委派模型的一个“逆向”操作。

第二种：热部署

热部署是指在不重启应用程序的情况下更新代码，需要替换旧版本的类，但旧版本的类可能通过父加载器来加载，如果仍然保持父加载优先，那么可能会导致仍然返回旧的类版本。为了解决上述问题，可以通过自定义类加载器加载替换的新类，并通过“子优先”优先加载类的新版本。

Tomcat的类加载机制了解吗？

Bootstrap ClassLoader：启动类加载器，加载Java的核心类库
Catalina ClassLoader：Tomcat核心类库加载器
Shared ClassLoader：共享类加载器，允许不同的Web应用程序共享某些类库
Webapp ClassLoader：应用程序类库加载器，支持多应用隔离和优先加载应用自定义的类库（破坏了双亲委派模型）。包括直接由该Web应用程序开发者编写的类和依赖库lib下的类

你认为应该怎样实现一个热部署功能？

热部署是指在不重启应用程序的情况下修改代码，动态加载、更新或卸载应用程序的组件，比如类、配置文件等。需要在类加载器的基础上实现类的重新加载。

首先通过WatchService来监控类文件和配置文件的变化，当检测到文件变更时，触发热部署流程。
然后创建一个自定义的类加载器，继承自ClassLoader，重写loadClass方法（子优先），以及findClass方法，用来加载新的类文件