【JVM面试篇】高频八股汇总——类加载和类加载器

目录

1. 讲一下类加载过程？

2. Java创建对象的过程？

3. 对象的生命周期？

4. 类加载器有哪些？

5. 双亲委派模型的作用（好处）？

6. 讲一下类的加载和双亲委派原则？

7. 双亲委派模型的执行流程？

8. 打破双亲委派模型的方法？

---

1. 讲一下类加载过程？

类从被加载到虚拟机内存中开始到卸载出内存为止，它的整个生命周期可以简单概括为 7 个阶段：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）。

加载：

1. 通过全类名获取定义此类的二进制字节流。
2. 将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构。
3. 在内存中生成一个代表该类的 Class 对象，作为方法区这些数据的访问入口。

验证：

        确保 class 文件中的字节流包含的信息，符合当前虚拟机的要求，保证这个被加载的 class 类的正确性，不会危害到虚拟机的安全。验证阶段大致会完成以下四个阶段的检验动作：文件格式校验、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

准备:

        为类中的静态字段分配内存，并设置默认的初始值，比如int类型初始值是0。被final修饰的static字段不会设置，因为final在编译的时候就分配了。

解析:

        解析阶段是虚拟机将常量池的「符号引用」直接替换为「直接引用」的过程。符号引用是以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用的时候可以无歧义地定位到目标即可。直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄，直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经存在在内存中了。

        解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用限定符 7 类符号引用进行。

初始化:

        初始化是整个类加载过程的最后一个阶段，初始化阶段简单来说就是执行类的构造器方法(())，要注意的是这里的构造器方法()并不是开发者写的，而是编译器自动生成的。

使用:

        使用类或者创建对象

卸载：

卸载类即该类的 Class 对象被 GC。

卸载类需要满足 3 个要求:

1. 该类的所有的实例对象都已被 GC，也就是说堆不存在该类的实例对象。
2. 该类没有在其他任何地方被引用
3. 该类的类加载器的实例已被 GC

所以，在 JVM 生命周期内，由 jvm 自带的类加载器加载的类是不会被卸载的。但是由我们自定义的类加载器加载的类是可能被卸载的。

2. Java创建对象的过程？

1. 类加载检查： 虚拟机遇到一条 new 指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
2. 分配内存： 在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。
3. 初始化零值： 内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），这一步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
4. 进行必要设置，比如对象头： 初始化零值完成之后，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息。这些信息存放在对象头中。另外，根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。
5. 执行 init 方法： 在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚开始——构造函数，即 class 文件中的 < init >方法还没有执行，所有的字段都还为零，对象需要的其他资源和状态信息还没有按照预定的意图构造好。所以一般来说，执行 new 指令之后会接着执行 < init >方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

3. 对象的生命周期？

对象的生命周期包括创建、使用和销毁三个阶段：

• 创建：对象通过关键字 new 在堆内存中被实例化，构造函数被调用，对象的内存空间被分配。
• 使用：对象被引用并执行相应的操作，可以通过引用访问对象的属性和方法，在程序运行过程中被不断使用。
• 销毁：当对象不再被引用时，通过垃圾回收机制自动回收对象所占用的内存空间。垃圾回收器会在适当的时候检测并回收不再被引用的对象，释放对象占用的内存空间，完成对象的销毁过程。

4. 类加载器有哪些？

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这是最顶层的类加载器，负责加载Java的核心库（如位于jre/lib/rt.jar中的类），它是用C++编写的，是JVM的一部分。启动类加载器无法被Java程序直接引用。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：它是Java语言实现的，继承自ClassLoader类，负责加载Java扩展目录（jre/lib/ext或由系统变量Java.ext.dirs指定的目录）下的jar包和类库。扩展类加载器由启动类加载器加载，并且父加载器就是启动类加载器。
• 系统类加载器（System ClassLoader）/应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这也是Java语言实现的，负责加载用户类路径（ClassPath）上的指定类库，是我们平时编写Java程序时默认使用的类加载器。系统类加载器的父加载器是扩展类加载器。它可以通过ClassLoader.getSystemClassLoader()方法获取到。
• 自定义类加载器（Custom ClassLoader）：开发者可以根据需求定制类的加载方式，比如从网络加载class文件、数据库、甚至是加密的文件中加载类等。自定义类加载器可以用来扩展Java应用程序的灵活性和安全性，是Java动态性的一个重要体现。

        这些类加载器之间的关系形成了双亲委派模型，其核心思想是当一个类加载器收到类加载的请求时，首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中。只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

5. 双亲委派模型的作用（好处）？

• 保证类的唯一性：通过委托机制，确保了所有加载请求都会传递到启动类加载器，避免了不同类加载器重复加载相同类的情况，保证了 Java 核心类库的统一性，也防止了用户自定义类覆盖核心类库的可能。
• 保证安全性：由于 Java 核心库被启动类加载器加载，而启动类加载器只加载信任的类路径中的类，这样可以防止不可信的类假冒核心类，增强了系统的安全性。例如，恶意代码无法自定义一个 Java.lang.System 类并加载到 JVM 中，因为这个请求会被委托给启动类加载器，而启动类加载器只会加载标准的 Java 库中的类。
• 支持隔离和层次划分：双亲委派模型支持不同层次的类加载器服务于不同的类加载需求，如应用程序类加载器加载用户代码，扩展类加载器加载扩展框架，启动类加载器加载核心库。这种层次化的划分有助于实现沙箱安全机制，保证了各个层级类加载器的职责清晰，也便于维护和扩展。
• 简化了加载流程：通过委派，大部分类能够被正确的类加载器加载，减少了每个加载器需要处理的类的数量，简化了类的加载过程，提高了加载效率。

6. 讲一下类的加载和双亲委派原则？

Java 的类加载过程分为三个主要步骤：加载、链接、初始化。

• 加载阶段（Loading）：Java 将字节码数据从不同的数据源读取到 JVM 中，并映射为 JVM 认可的数据结构（Class 对象）。这里的数据源可能是各种各样的形态，如 jar 文件、class 文件，甚至是网络数据源等；如果输入数据不是 ClassFile 的结构，则会抛出 ClassFormatError。加载阶段是用户参与的阶段，我们可以自定义类加载器，去实现自己的类加载过程。

• 第二阶段是链接（Linking），这是核心的步骤，简单说是把原始的类定义信息平滑地转化入 JVM 运行的过程中。这里可进一步细分为三个步骤：

  • 验证（Verification）：这是虚拟机安全的重要保障，JVM 需要核验字节信息是否符合 Java 虚拟机规范的，否则就被认为是 VerifyError，这样就防止了恶意信息或者不合规的信息危害 JVM 的运行。验证阶段有可能触发更多 class 的加载。
  • 准备（Preparation）：创建类或接口中的静态变量，并初始化静态变量的初始值。但这里的“初始化”和下面的显式初始化阶段是有区别的，侧重点在于分配所需要的内存空间，不会去执行更进一步的 JVM 指令。
  • 解析（Resolution）：在这一步会将常量池中的符号引用（symbolic reference）替换为直接引用。

• 最后是初始化阶段（initialization）：这一步真正去执行类初始化的代码逻辑，包括静态字段赋值的动作，以及执行类定义中的静态初始化块内的逻辑。编译器在编译阶段就会把这部分逻辑整理好，父类型的初始化逻辑优先于当前类型的逻辑。

再来谈谈双亲委派模型，简单说就是当类加载器（Class - Loader）试图加载某个类型的时候，除非父加载器找不到相应类型，否则尽量将这个任务代理给当前加载器的父加载器去做。使用委派模型的目的是避免重复加载 Java 类型。

7. 双亲委派模型的执行流程？

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException
{synchronized (getClassLoadingLock(name)) {//首先，检查该类是否已经加载过Class c = findLoadedClass(name);if (c == null) {//如果 c 为 null，则说明该类没有被加载过long t0 = System.nanoTime();try {if (parent != null) {//当父类的加载器不为空，则通过父类的loadClass来加载该类c = parent.loadClass(name, false);} else {//当父类的加载器为空，则调用启动类加载器来加载该类c = findBootstrapClassOrNull(name);}} catch (ClassNotFoundException e) {//非空父类的类加载器无法找到相应的类，则抛出异常}if (c == null) {//当父类加载器无法加载时，则调用findClass方法来加载该类//用户可通过覆写该方法，来自定义类加载器long t1 = System.nanoTime();c = findClass(name);//用于统计类加载器相关的信息sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}}if (resolve) {//对类进行link操作resolveClass(c);}return c;}
}

每当一个类加载器接收到加载请求时，它会先将请求转发给父类加载器。在父类加载器没有找到所请求的类的情况下，该类加载器才会尝试去加载。

结合上面的源码，简单总结一下双亲委派模型的执行流程：

• 在类加载的时候，系统会首先判断当前类是否被加载过。已经被加载的类会直接返回，否则才会尝试加载（每个父类加载器都会走一遍这个流程）。
• 类加载器在进行类加载的时候，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成（调用父加载器 loadClass()方法来加载类）。这样的话，所有的请求最终都会传送到顶层的启动类加载器 BootstrapClassLoader 中。
• 只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载（调用自己的 findClass() 方法来加载类）。
• 如果子类加载器也无法加载这个类，那么它会抛出一个 ClassNotFoundException 异常。

JVM 判定两个 Java 类是否相同的具体规则：JVM 不仅要看类的全名是否相同，还要看加载此类的类加载器是否一样。只有两者都相同的情况，才认为两个类是相同的。即使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，那这两个类就必定不相同。

 

8. 打破双亲委派模型的方法？

1. 通过线程上下文类加载器（TCCL）逆向委托

在基础框架需要调用用户实现类的场景（如JNDI、JDBC），Bootstrap加载器无法识别应用层类，需逆向委派给下层加载器：

• 实现方式：通过Thread.currentThread().setContextClassLoader()设置线程上下文加载器（通常为AppClassLoader）。

• 关键点：由高层级加载器（如Bootstrap）主动获取TCCL并加载用户类，打破自下而上的委派顺序。

• 典型场景：JDBC驱动加载中DriverManager（由Bootstrap加载）通过TCCL加载com.mysql.cj.jdbc.Driver。

2. 实现自身类加载逻辑（覆盖loadClass方法）

直接重写ClassLoader.loadClass()方法，跳过父类委托机制：

• 步骤：在自定义类加载器中不调用super.loadClass()，改为优先从自身路径加载类。

• 应用场景：热部署框架（如Tomcat）需隔离不同Web应用：

  • WebAppClassLoader 先尝试独立加载/WEB-INF/下的类，失败后才委派父加载器（SharedClassLoader）。

  • 避免应用间类冲突，同时共享核心库（如Servlet API）。