详解JVM类加载机制及类缓存问题的处理方法

前言

大家应该都知道，当一个Java项目启动的时候，JVM会找到main方法，根据对象之间的调用来对class文件和所引用的jar包中的class文件进行加载（其步骤分为加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载），方法区中开辟内存来存储类的运行时数据结构（包括静态变量、静态方法、常量池、类结构等），同时在堆中生成相应的Class对象指向方法区中对应的类运行时数据结构。

用最简单的一句话来概括，类加载的过程就是JVM根据所需的class文件的路径，通过IO流的方式来读取class字节码文件，并通过一系列解析初始化等步骤来注入到内存。 java中的类加载器有：BootstrapClassLoader（最上层）、ExtClassLoader、AppClassLoader、以及用户自定义的ClassLoader（最下层）。JVM对于不同种类的jar包（或class文件），会有不同种类的类加载器进行加载。

对应关系如下：

BootstrapClassLoader  用于加载JVM运行所需要的类：

　　　　JAVA_HOME/jre/lib/resources.jar:
　　　　JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar:
　　　　JAVA_HOME/jre/lib/sunrsasign.jar:
　　　　JAVA_HOME/jre/lib/jsse.jar:
　　　　JAVA_HOME/jre/lib/jce.jar:
　　　　JAVA_HOME/jre/lib/charsets.jar:
　　　　JAVA_HOME/jre/lib/jfr.jar:
　　　　JAVA_HOME/jre/classes

　　ExtClassLoader 用于加载扩展类：　　

　　　　../Java/Extensions:
　　　　../JAVA_HOME/jre/lib/ext:　　　　../Library/Java/Extensions:/Network/Library/Java/Extensions:
　　　　../System/Library/Java/Extensions:
　　　　../lib/java

　　AppClassLoader 用于加载我们项目中ClassPath下所创建的类和jar包中引用的类。

整个类加载，是通过一种叫做双亲委派的机制来进行加载。

举例来说，一个类被最下层的加载器（用户自定义ClassLoader）进行加载，此加载器首先会调用上一层的加载器（AppClassLoader）进行加载，而AppClassLoader会继续转交给上层（ExtClassLoader）的加载器进行加载，直到BootstrapClassLoader。  如果BootstrapClassLoader所加载的类路径找不到此类，那么才会交给下一层的加载器（ExtClassLoader）进行加载，如果找不到此类，继续交给下一层（AppClassLoader）进行加载。以此类推，如果用户自定义的ClassLoader也找不到此类，那么程序就会抛出一个ClassNotFoundError。

整个加载过程图示如下：

（图片引用自：https://www.cnblogs.com/xing901022/p/4574961.html）

类加载源的源码跟踪如下（在此对源码进行了适当的简化），读者可以点入源码进行查看：

package java.lang.ClassLoader;
import ....
 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
  throws ClassNotFoundException
 {
  synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
   // First，在虚拟机内存中查找是否已经加载过此类...类缓存的主要问题所在！！！
   Class<?> c = findLoadedClass(name);
   if (c == null) {
    long t0 = System.nanoTime();
    try {
     if (parent != null) {
　　　　　　　　　　　　　　 //先让上一层加载器进行加载
      c = parent.loadClass(name, false);
     } else {
      c = findBootstrapClassOrNull(name);
     }
    } catch (ClassNotFoundException e) {
     // ClassNotFoundException thrown if class not found
     // from the non-null parent class loader
    }
    if (c == null) {
　　　　　　　　　　　　//调用此类加载器所实现的findClass方法进行加载
     c = findClass(name);
    }
   }
   if (resolve) {
    resolveClass(c);
   }
   return c;
  }
 }

在源码中可以完全领略到双亲委派机制的过程，其中最重要的三句代码已经进行了标注：

• 　　　　findLoadedClass（在虚拟机内存中查找是否已经加载过此类...类缓存的主要问题所在！！！）
• 　　　　parent.loadClass（先让上一层加载器进行加载）
• 　　　　findClass（调用此类加载器所实现的findClass方法进行加载）

　　如果用户需要自定义加载器，加载自己指定路径的class文件，需要继承ClassLoader，并实现findClass(String name)方法。举例如下：

package com.linuxidc.utils;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
public class ServiceClassLoader extends ClassLoader{
 private String classPath;
 public ServiceClassLoader(String classPath) {
  this.classPath = classPath;
 }
 /**
  * 重写父类的findClass 方法。 父类的loadClass会调用此方法
  */
 @Override
 protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
  Class<?> c = null;
  byte[] classData = getClassData(name);
  if (classData!=null) {
   c = defineClass(name, classData, 0, classData.length);
  }else {
   throw new ClassNotFoundException();
  }
  return c;
 }　
　　 // 将class文件通过IO流读取，转化为字节数组
 private byte[] getClassData(String name) {

  String path = classPath + "/"+ name.replace('.', '/') + ".class";

  InputStream iStream = null;
  ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
  try {
   iStream = new FileInputStream(path);

   byte[] buffer = new byte[1024];
   int temp = 0;
   while ((temp = iStream.read(buffer))!=-1) {
    byteArrayOutputStream.write(buffer, 0, temp);
   }
   if (byteArrayOutputStream!=null) {
    return byteArrayOutputStream.toByteArray();
   }
  } catch (Exception e) {
   e.printStackTrace();
  }finally {
   try {
    if (iStream!=null) {
     iStream.close();
    }
   } catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
   }
   try {
    if (byteArrayOutputStream!=null) {
     byteArrayOutputStream.close();
    }
   } catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
   }
  }
  return null;
 }
}

对类加载器的使用代码如下：

ServiceClassLoader serviceClassLoader = new ServiceClassLoader("c:\myclass");
Czlass<?> c = ServiceClassLoader.loadClass("com.linuxidc.service.Myclass");

如果 用同一个 ServiceClassLoader 对象去加载同一个Class文件多次，每次加载后的Class对象为同一个！ 然而如果new不同的自定义ClassLoader去加载同一个Class文件，则每次会返回不同的Class对象。

注意： 不能将所要加载的Class文件放到classpath目录及其任何子目录下，否则会被AppClassLoader优先加载 （这是由于类加载采用双亲委派机制，同时AppClassLoader可以加载所有在classpath下的class文件）， 每次都是同一个AppClassLoader进行加载，因此会出现类缓存问题。

这样就解决了通常在JVM类加载时，直接使用反射出现的类缓存的问题。

总结

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对我们的支持。