类加载机制

S6-008建议学高级约 60 分钟JDK 21Java 高级与架构 · JVM

1. 本节定位

「双亲委派」四个字谁都会背，但能亲手打破它、并亲眼看到后果的人不多。

★ 本节用自写的类加载器做了 5 组实验，其中两组是「反常识」的：

text

自定义加载器读同一个 .class 文件，却「不生效」——因为父加载器先命中 ✓✓（委派生效）
强制跳过父加载器后：同名同字节码，instanceof 一个 true 一个 false ✗✗（类型不兼容）
切断引用 + System.gc() → 加载器被回收 true ✓✓（类随之卸载）

2. 学习目标

说清类的生命周期，以及「准备」与「初始化」的区别 ★★★；
会用三类加载器与委派链解释一个类从哪来 ★★★；
能亲手写出「遵守委派」与「打破委派」的加载器，并解释后果 ★★★；
理解「类的唯一标识 = 类名 + 加载器」，能解释热部署与类冲突 ★★★。

3. 前置知识检查

知道类存在元空间、对象在堆上吗？（《JVM 内存结构与对象创建》）✓
知道 static 字段与静态块吗？（《类与对象》）✓

4. 为什么需要这个知识

★ 线上三类「看起来毫无道理」的故障，根都在类加载 ✗✗：

现象	真正原因
`ClassNotFoundException` / `NoClassDefFoundError` ✗✗	前者「加载时找不到」，后者「加载过但初始化失败」
改了代码不生效 ✗✗	加载器没换，旧类还在用（Tomcat 热部署的坑）
同一个类强转失败 ✗✗✗	类名相同、加载器不同 —— 本节将亲手复现

5. 核心概念

5.1 类的生命周期 ★★★

text

加载 → 验证 → 准备 → 解析 → 初始化 → 使用 → 卸载
      （准备：静态字段赋零值）（初始化：静态块执行、赋真值）

★★ 关键分界：「加载」不等于「初始化」 ✓✓✓ —— 初始化只发生一次，且推迟到首次真正使用时（new、访问静态字段、反射调用等）。

★ 主动引用的六种触发场景（其余如读编译期常量不触发）✓：

会触发初始化 ✓	不会触发 ✗
`new`、访问静态字段/方法、反射 `Class.forName`（默认）	读 `static final` 编译期常量（被内联）
初始化子类时父类先初始化	`ClassLoader.loadClass`（只加载）
作为 main 类的入口	类字面量 `Xxx.class`（只加载）

5.2 三类加载器与委派链（实测）★★★

text

String.class            → null（Bootstrap，C++ 实现，看不见）
javax.sql.DataSource    → jdk.internal.loader.ClassLoaders$PlatformClassLoader@7852e922
ClassLoadingLesson      → jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@105be200
App 的父加载器      = PlatformClassLoader
Platform 的父加载器 = null（Bootstrap）

加载器	加载什么	可见性
Bootstrap ★★★	`java.*` 核心库（`<JAVA_HOME>/lib`）	最顶层，Java 代码里看不到
Platform ★★	部分标准模块（如 `java.sql` 的一部分）	位于中间层
App ★★★	classpath（你的代码与三方 jar）	最底层，最常用

★ 双亲委派的流程 ✓✓✓：收到加载请求 → 先交给父加载器 → 父加载器逐层上报到 Bootstrap → 父辈都加载不了，自己才加载。

★★★ 三个作用（实测背书）：

避免重复加载——本节实测：自定义加载器也去读了文件，但返回的是与 App 相同的 Class（只定义一次）✓✓；
防止核心类被顶替——你写一个 java.lang.String 也加载不了（会被委派给 Bootstrap）✓✓；
保证类型一致——同一个类在不同加载器里是不同的类型（下一小节实测）✗✗。

5.3 打破委派与「类唯一标识」（实测）★★★

把 MirrorClassLoader 改成对目标类「自己先加载」后：

text

是同一个 Class 吗？ false ✗✗（自己先加载，父辈被跳过）
app 版实例 instanceof ProbeSubject → true ✓
自定义版实例 instanceof ProbeSubject → false ✗✗
强转直接抛 ClassCastException：class cn.kb.learn.deep.jvm.ProbeSubject cannot be cast to
class cn.kb.learn.deep.jvm.ProbeSubject (…is in unnamed module of loader
cn.kb.learn.deep.jvm.MirrorClassLoader @12edcd21; …is in unnamed module of loader 'app')

★★★ 类的唯一标识 = 「全限定类名 + 定义它的类加载器」 ✓✓✓ —— 同名同字节码，只要加载器不同，就是两个互不兼容的类型 ✗✗。

★ 现实里谁在打破委派 ✓：

场景	做法与目的
Tomcat 热部署 ★★	每个 Web 应用一个独立加载器：重发时换新加载器 = 换新类
SPI（JDBC 驱动） ★★	Bootstrap 加载接口、线程上下文加载器加载实现
OSGi / 插件化 ★	按模块隔离，同名类可以共存

5.4 类的卸载（实测）★★

text

切断全部强引用 + System.gc() 后，加载器被回收？ true

★★ 条件：类的加载器不可达 → 类（连同静态字段）一起卸载 ✓✓ —— 热部署内存泄漏的经典原因：旧加载器被静态字段 / 未结束的线程 / ThreadLocal 意外引用住 ✗✗（呼应《虚拟线程》的 ThreadLocal 话题）。

6. 递进示例

6.1 `Class.forName` 与 `loadClass` 的差别

java

Class<?> a = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("cn.kb.learn.deep.jvm.InitProbe");
// 只加载，不初始化 —— 静态块不执行 ✓
Class<?> b = Class.forName("cn.kb.learn.deep.jvm.InitProbe");
// 默认 initialize=true —— 静态块在此执行 ✓✓

★ 这就是 JDBC 老代码写 Class.forName("com.mysql.cj.jdbc.Driver") 的原因 ✓✓：驱动类靠静态块把自身注册进 DriverManager —— 必须触发初始化。

6.2 最小自定义加载器

java

public class MirrorClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        Path file = dir.resolve(name.replace('.', '/') + ".class");
        byte[] bytes = Files.readAllBytes(file);      // 字节码从哪来，你说了算
        return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
    }
}

★ 加载器只做两件事：找到字节码 → defineClass 定义成类 ✓✓（网络、加密 jar、内存字节码都能当来源）。

6.3 查看「某个类是谁加载的」

java

System.out.println(SomeClass.class.getClassLoader());

★ 排障第一动作 ✓✓：NoClassDefFoundError / 类型冲突时，先确认两边的加载器是不是同一个。

7. 完整可运行代码与实测

代码：labs/java-deep/src/main/java/cn/kb/learn/deep/jvm/ClassLoadingLesson.java（配 InitProbe、ProbeSubject、MirrorClassLoader）

实测输出（关键部分）：

text

===== 1. 三类加载器与委派链 =====
  String.class            → null（Bootstrap，C++ 实现，看不见）
  javax.sql.DataSource    → jdk.internal.loader.ClassLoaders$PlatformClassLoader@7852e922
  ClassLoadingLesson      → jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@105be200

===== 2. 加载 ≠ 初始化：静态块什么时候执行 =====
  第 1 步：读编译期常量 InitProbe.TAG（会被内联，不触发初始化）
         tag = probe（上面没有静态块输出 ✓）
  第 2 步：ClassLoader.loadClass（只加载、不初始化）
         已装入 cn.kb.learn.deep.jvm.InitProbe（仍没有静态块输出 ✓）
  第 3 步：Class.forName（默认 initialize=true）
        [静态块执行] InitProbe 正在初始化 → 静态字段赋真值
         两个 Class 是同一个吗？ true（同一个 Class，只是初始化晚了）
  第 4 步：再次访问静态字段（不重复打印静态块）
         InitProbe.counter = 42

===== 3. 双亲委派：先问父辈 =====
  是同一个 Class 吗？ true ← 父加载器先命中，只定义了一次 ✓✓

===== 4. 打破委派：同一个类名，两个 Class 对象 =====
  是同一个 Class 吗？ false ✗✗（自己先加载，父辈被跳过）
  加载器分别是：ClassLoaders$AppClassLoader / MirrorClassLoader
  app 版实例 instanceof ProbeSubject → true ✓
  自定义版实例 instanceof ProbeSubject → false ✗✗

===== 5. 类的卸载：加载器不可达 = 类可卸载 =====
  切断全部强引用 + System.gc() 后，加载器被回收？ true

★ 第 5 组的注意点 ✓：GC 不保证立即回收（本节多轮触发才稳定观察到）。

8. Debug 观察点

打印任意类的 getClassLoader()，把「谁加载的」问到底 ✓✓✓；
java -verbose:class 观察类加载顺序与加载器 ✓✓；
把 MirrorClassLoader 的 selfFirstClass 换成 java.lang.String 试试 ✗✗（defineClass 会被安全机制拒绝）✓；
-Xlog:class+load 在 JDK 21 下看加载日志与来源 jar ✓。

9. 常见错误

#	错误	说明
1	把 `loadClass` 当初始化用 ✗✗	静态块不会执行（JDBC 驱动就靠 forName）✓✓
2	两个同名类靠强转打通 ✗✗✗	不同加载器 = 不同类型，必然 `ClassCastException` ✓
3	`NoClassDefFoundError` 当「没引入依赖」 ✗	它常是「初始化失败」——查静态块的异常 ✓
4	热部署后内存持续上涨 ✗✗	旧加载器被静态字段/线程引用住 ✓
5	自定义加载器忘了 `defineClass` 的包名归属 ✗	`defineClass` 的 name 必须与字节码一致 ✓

10. 动手实验

跑 ClassLoadingLesson 五组实验 ✓✓✓；
把 ProbeSubject 的字节码改一个字节再加载，观察 LinkageError ✓✓；
用 -Xlog:class+load 观察自己程序的类从哪个 jar 来 ✓；
用 WeakReference 观察加载器卸载（本机实测成功）✓✓。

验收方式：能对一段「改了代码不生效」「同名类强转失败」的现场，说出加载器层面的原因与验证步骤。

扩展任务：写一个「类冲突检测」小工具：列出指定 jar 包被哪些加载器加载过（呼应线上 NoSuchMethodError 排查）✓✓

11. 练习题

加载与初始化的边界在哪？各自由什么触发？
双亲委派的三个作用？
「类的唯一标识」是什么？为什么同名类会不兼容？
类被卸载的条件是什么？热部署泄漏的典型原因？
ClassNotFoundException 与 NoClassDefFoundError 的区别？

参考答案（要点）

初始化 = 静态块 + 赋真值，发生在首次主动使用；加载只产生 Class 对象 ✓✓★
避免重复加载、防止核心类被顶替、保证类型一致 ✓✓★
全限定类名 + 定义它的加载器；不同加载器定义的同名类互不兼容 ✗✗★
加载器不可达；泄漏 = 旧加载器被静态字段 / 线程 / ThreadLocal 引用 ✗✓★
前者：加载阶段找不到字节码（拼错名字、缺 jar）；后者：类已被加载过但初始化失败（静态块抛异常）✓★

12. 掌握标准

[ ] 能画出生命周期并区分准备/初始化 ★★★；
[ ] 会解释三类加载器与委派链 ★★★；
[ ] 能写出两种自定义加载器并解释差异 ★★★；
[ ] 理解类唯一标识与热部署原理 ★★★；
[ ] 会用手法验证「这个类是谁加载的」★★★。

13. 扩展资源

14. 下一步学习

按顺序学《垃圾回收算法与收集器》（垃圾回收算法与收集器）→ 《GC 日志分析与 JVM 调优》（GC 日志分析与 JVM 调优）。本节思路同时支撑《Arthas 与线上问题诊断》（Arthas 用 sc -d 查类的加载器）与《字节码与 Java Agent》（Agent 如何改写类文件）。

前置知识

S6-007 JVM 内存结构与对象创建

后续知识

S6-012 字节码与 Java Agent

进度只保存在本机浏览器，可随时清除

外部学习资源

面试题库索引

项目与练手索引

工具与软件索引

类加载机制

1. 本节定位

2. 学习目标

3. 前置知识检查

4. 为什么需要这个知识

5. 核心概念

5.1 类的生命周期 ★★★

5.2 三类加载器与委派链（实测）★★★

5.3 打破委派与「类唯一标识」（实测）★★★

5.4 类的卸载（实测）★★

6. 递进示例

6.1 `Class.forName` 与 `loadClass` 的差别

6.2 最小自定义加载器

6.3 查看「某个类是谁加载的」

7. 完整可运行代码与实测

8. Debug 观察点

9. 常见错误

10. 动手实验

11. 练习题

12. 掌握标准

13. 扩展资源

14. 下一步学习

前置知识

后续知识

类加载机制 ​

1. 本节定位 ​

2. 学习目标 ​

3. 前置知识检查 ​

4. 为什么需要这个知识 ​

5. 核心概念 ​

5.1 类的生命周期 ★★★ ​

5.2 三类加载器与委派链（实测）★★★ ​

5.3 打破委派与「类唯一标识」（实测）★★★ ​

5.4 类的卸载（实测）★★ ​

6. 递进示例 ​

6.1 Class.forName 与 loadClass 的差别 ​

6.2 最小自定义加载器 ​

6.3 查看「某个类是谁加载的」 ​

7. 完整可运行代码与实测 ​

8. Debug 观察点 ​

9. 常见错误 ​

10. 动手实验 ​

11. 练习题 ​

12. 掌握标准 ​

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5.1 类的生命周期 ★★★

5.2 三类加载器与委派链（实测）★★★

5.3 打破委派与「类唯一标识」（实测）★★★

5.4 类的卸载（实测）★★

6. 递进示例

6.1 `Class.forName` 与 `loadClass` 的差别

6.2 最小自定义加载器

6.3 查看「某个类是谁加载的」

7. 完整可运行代码与实测

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9. 常见错误

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