Java 类加载器介绍

Java 类加载器（Class Loader）是 Java 虚拟机（JVM）的一个核心子系统，它的主要职责是在运行时根据类的全限定名（例如 java.lang.String）来定位并加载对应的 .class 文件的二进制字节流，然后将这些字节流解析成 JVM 内部的数据结构，并在堆中创建一个 java.lang.Class 对象。

Java 系统中主要包含以下三种类加载器，它们共同构成了一个具有层次关系的结构。

  1. 启动类加载器 (Bootstrap ClassLoader)

    • 这是最顶层的加载器，是虚拟机自身的一部分。

    • 它负责加载 Java 的核心库，即 <JAVA_HOME>/jre/lib 目录下的，或者被 -Xbootclasspath 参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的类库（如 rt.jar）。

    • 出于安全考虑，Java 程序无法直接获取到启动类加载器的引用，所以当你尝试获取它的父加载器时，会返回 null。

  2. 扩展类加载器 (Extension ClassLoader)

    • 它负责加载 <JAVA_HOME>/jre/lib/ext 目录中，或者被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径中的所有类库。

    • 开发者可以直接使用扩展类加载器。

  3. 应用程序类加载器 (Application ClassLoader)

    • 也称为系统类加载器 (System ClassLoader)。它负责加载用户类路径（Classpath）上所指定的类库。

    • 它是程序中默认的类加载器。我们自己编写的 Java 类，在没有自定义类加载器的情况下，通常都是由它来加载的。

这三者之间的关系如下图所示（注意：这种父子关系是通过组合来实现的，而不是继承）：

                  null
                   ^
                   | (父加载器)
        +-------------------------+
        |  Bootstrap ClassLoader  |
        +-------------------------+
                   ^
                   | (父加载器)
        +-------------------------+
        |  Extension ClassLoader  |
        +-------------------------+
                   ^
                   | (父加载器)
        +-------------------------+
        | Application ClassLoader |
        +-------------------------+

自定义类加载器 (Custom Class Loader)

Java 默认的类加载器（启动、扩展、应用）只能从本地文件系统的 Classpath 中加载类。但在很多复杂的应用场景中，这远远不够。自定义类加载器的核心作用就是 扩展类的加载来源，并实现特定的加载逻辑。

它的主要用途（作用）可以归结为以下几点：

  1. 实现类的隔离：这是最重要的用途之一。在大型应用或服务器中（如 Tomcat、OSGi 框架），可能需要同时运行多个模块或应用，而这些应用可能依赖于同一个库的不同版本。通过为每个应用创建独立的类加载器，可以加载各自版本的库，互不干扰，避免了“类冲突”。

  2. 从非标准来源加载类：默认加载器只能从文件系统加载。自定义加载器可以从任何地方加载类的字节码，例如：

    • 网络：从远程服务器下载 .class 文件或 JAR 包来执行，实现动态分发代码。

    • 数据库：将类的字节码存储在数据库中，运行时按需加载。

    • 内存：动态生成类的字节码（例如使用 ASM、Javassist 等字节码操作库），然后直接从内存中加载这个新生成的类。

  3. 实现代码热部署/热替换：在不停止服务的情况下，更新应用代码。通过创建一个新的类加载器实例来加载新版本的类文件，并替换掉旧的加载器，就可以实现类的更新。旧的类加载器及其加载的旧版本类对象，在没有引用后会被垃圾回收。

  4. 加载加密的字节码：为了保护代码不被反编译，可以对编译后的 .class 文件进行加密。然后通过自定义类加载器，在加载字节码时先进行解密，再交给 JVM。标准类加载器无法识别加密过的文件。

具体的应用场景非常广泛：

  • Web服务器和应用服务器：最典型的例子是 Tomcat。每个部署在 Tomcat 上的 Web 应用（WAR包）都有一个自己的 WebAppClassLoader。这样，应用 A 可以使用 log4j-1.2.jar，而应用 B 可以使用 log4j-2.0.jar，它们不会冲突。

  • 插件化框架：比如 Eclipse 的插件体系、OSGi 框架。每个插件（Bundle）都由自己的类加载器加载，实现了高度的模块化和隔离，插件可以独立安装、启动、停止和卸载。

  • 热部署工具：像 JRebel 或 Spring Boot DevTools 等工具，它们通过监控文件变化，并使用自定义类加载器重新加载修改过的类，从而实现代码的即时生效，极大地提升了开发效率。

  • 代码保护和授权：在一些商业软件中，核心模块的 .class 文件被加密，软件运行时通过一个自定义的类加载器进行解密和验证授权，然后才加载到内存中。

  • 规则引擎和脚本执行：一些系统允许用户动态编写业务逻辑脚本（如 Groovy、Drools 规则），系统会将这些脚本动态编译成字节码，然后用自定义类加载器加载并执行。