【实战JVM】-01-JVM通识-字节码详解-类的声明周期-加载器

1 初识JVM
- 1.1 什么是JVM
- 1.2 JVM的功能
- - 1.2.1 即时编译
- 1.3 常见JVM
2 字节码文件详解
- 2.1 Java虚拟机的组成
- 2.2 字节码文件的组成
- - 2.2.1 正确打开字节码文件
  - 2.2.2 字节码组成
  - 2.2.3 基础信息
  - - 2.2.3.1 魔数
    - 2.2.3.1 主副版本号
  - 2.2.4 常量池
  - 2.2.5 方法
- 2.3 linux中打开字节码文件
- 2.4 字节码常用工具 Arthas
- - 2.4.1 安装Arthas
  - 2.4.2 Arthas功能
  - - 2.4.2.1 获取系统实时面板-dashboard
    - 2.4.2.2 加载特定类的字节码-dump
    - 2.4.2.3 反编译已加载类的源码-jad
    - 2.4.2.4 查看JVM已加载的类信息-sc
3 类的生命周期
- 3.1 生命周期的概述
- 3.2 加载阶段
- - 3.2.1 查看内存中的对象
- 3.3 连接阶段
- - 3.3.1 验证阶段
  - - 3.3.1.1 验证是否符合jvm规范
    - 3.3.1.2 元信息验证
    - 3.3.1.3 验证语义
    - 3.3.1.4 符号引用验证
  - 3.3.2 准备阶段
  - 3.3.3 解析阶段
- 3.4 初始化阶段
- - 3.4.1 笔试题
  - 3.4.2 特殊情况
- 3.5 总结
4 类的加载器
- 4.1 类加载器的分类
- - 4.1.1 JDK8之前的分类
  - 4.1.2 使用Arthas查看类加载器-classloader
  - 4.1.3 C++启动类加载器BootstrapClassLoader
  - 4.1.4 Java中默认类加载器
  - - 4.1.4.1 扩展类加载器ExtClassLoader
    - 4.1.4.2 应用程序类加载器 AppClassLoader
    - 4.1.4.3 Arthas-classloader高级用法
- 4.2 类加载器的双亲委派机制
- - 4.2.1 Arthas查看类加载器父子关系
  - 4.2.2 面试
- 4.3 打破双亲委派机制
- - 4.3.1 自定义类加载器
  - - 4.3.1.1 Arthas展示类的详细信息
    - 4.3.1.2 正确的自定义类加载器
  - 4.3.2 线程上下文类加载器
  - - 4.3.2.1 SPI机制
    - 4.3.2.2 总结
  - 4.3.3 热部署
  - - 4.3.3.1 热更新注意事项
- 4.4 JDK8之后的类加载器

1 初识JVM

1.1 什么是JVM

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1.2 JVM的功能

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1.2.1 即时编译

即时编译Just-In-Time 简称JIT进行性能的优化，最终到达接近C、C++的性能

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将热点代码转换为机器码后保存至RAM，下次执行时直接从RAM中调用。

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1.3 常见JVM

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java -version

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2 字节码文件详解

2.1 Java虚拟机的组成

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2.2 字节码文件的组成

2.2.1 正确打开字节码文件

安装jclasslib

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打开任意一个class文件

2.2.2 字节码组成

基础信息(一般信息+接口)：
- 魔数、字节码对应的java版本号，访问标识（public、final等），以及这个类父类是哪个，以及实现了哪些接口
常量池：
- 保存了字符串常量、类、接口名、字段名。主要在字节码指令中使用。
字段：
- 当前类或接口的字段信息，包括名字，描述符，访问标识。
- ```
private final static int a1=0
```
方法：
- 当前类或接口的声明的方法信息字节码指令
属性：
- 类的属性，比如源码的名字、内部类的列表等

2.2.3 基础信息

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2.2.3.1 魔数

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打开二进制的png文件，就是以89504E47开始的

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jpg则以FFD8FF开始

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java字节码则是以CAFEBABE开始

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2.2.3.1 主副版本号

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52对应jdk1.8 61则对应jdk17

2.2.4 常量池

public class HelloWorld{
    public static final String a1= "a1a1a1";
    public static final String a2= "a1a1a1";
    public static void main(String[] args){

       System.out.println("Hello world!");
    }
}

查看编译后的class文件

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两个都是常量，且指向同一块常量值索引，CONSTANT_String_info存放着cp_info #33，依旧是个索引

在这里插入图片描述

查看cp_info #33，这时候字面量才是a1a1a1

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为什么要两级索引呢？这是因为在jvm中的运行时数据区域中有这方法区，方法区主要用来存储已被虚拟机加载的类的信息、常量、静态变量和即时编译器编译后的代码等数据。方法区里有一个运行时常量池，用于存放静态编译产生的字面量和符号引用。该常量池具有动态性，也就是说常量并不一定是编译时确定，运行时生成的常量也会存在这个常量池中。

在这里插入图片描述

public class HelloWorld{
    public static final String a1= "abc";
    public static final String a2= "abc";
    public static final String abc= "abc";
    public static void main(String[] args){

       System.out.println("Hello world!");
    }
}

比如字段名和常量名都叫abc，但常量名是abc是String类型，而字段名是无类型的，但是都指向utf8格式的abc

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2.2.5 方法

public static void main(String[] args){
    int i=0;
    i=i++;
    System.out.println(i);
}

对应字节码：

 0 iconst_0   			//操作数栈: [] -> [0]，将常量值0压入操作数栈。
 1 istore_1   			//操作数栈: [0] -> []，将操作数栈顶的整数值（0）存入本地变量1。
 2 iload_1    			//操作数栈: [] -> [0]，将本地变量1中的整数值（0）加载到操作数栈。
 3 iinc 1 by 1 			//本地变量1的值增加1。原值是0，现在变为1。
 6 istore_1				//操作数栈: [0] -> []，将操作数栈顶的整数值存入本地变量1。本地变量: [1]-> [0]，
 7 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>  //获取System.out的值并压入操作数栈。
10 iload_1				//操作数栈: [Ljava/io/PrintStream;] -> [Ljava/io/PrintStream;, 0]，将本地变量1中的整数值加载到操作数栈。
11 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V>
14 return

i处于局部变量表的1号位

在这里插入图片描述

如果换成++i

public static void main(String[] args){
    int i=0;
    i=++i;
    System.out.println(i);
}

 0 iconst_0
 1 istore_1				//0放到本地变量表
 2 iinc 1 by 1			//本地变量表先自增，0->1
 5 iload_1				//将本地变量1中的整数值（1）加载到操作数栈。
 6 istore_1				//操作数栈: [1] -> []，将操作数栈顶的整数值存入本地变量1。本地变量: [1]-> [1]，
 7 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
10 iload_1
11 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V>
14 return

这样就不会发生i=i++这种覆盖赋值的情况了。

作业：

int i=0,j=0,k=0;
i++;
j=j+1;
k+=1;

i和k一样快，都是把0从操作数栈中放入本地变量中直接操作本地变量自增。

j最慢，从本地变量表中加载到操作数栈中，再加载1，再相加，再放入本地变量表。

2.3 linux中打开字节码文件

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javap -v 字节码文件名称

2.4 字节码常用工具 Arthas

2.4.1 安装Arthas

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启动arthas

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先启动项目再分析

public class ArthasDemo {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(2000L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

在arthas工作目录中启动

java -Dfile.encoding=UTF-8 -jar arthas-boot.jar

-Dfile.encoding=UTF-8是让arthas以utf8格式启动，这样不会乱码
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成功捕获到ArthasDemo，选择3回车进入arthas内部，他还自动下载了arthas3.7.2版本

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2.4.2 Arthas功能

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2.4.2.1 获取系统实时面板-dashboard

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我们设置每隔两秒刷新一次，刷新3次

dashboard -i 2000 -n 3

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只显示1次

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2.4.2.2 加载特定类的字节码-dump

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dump -d D:/File/StudyJavaFile/JavaStudy/JVM/low/day01/resource/ com.sjb.arthas.ArthasDemo

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这样就获取了运行时的java文件的字节码信息

2.4.2.3 反编译已加载类的源码-jad

jad com.sjb.arthas.ArthasDemo

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和我们的源码几乎一致

案例

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启动springboot-classfile后

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public UserVO user(@PathVariable("type") Integer type,@PathVariable("id") Integer id){
    //前边有一大堆逻辑，巴拉巴拉
    if(type==UserType.REGULAR.getType()){
        return new UserVO(id,"普通用户无权限查看");
    }
    return new UserVO(id,"这是尊贵的收费用户才能看的秘密!");
}

不能用==来判断类型，需要equals

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即使是普通用户，但是因为用的==判断的类型，也能进入vip用户

使用jad查看

jad com.itheima.springbootclassfile.controller.UserController

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定位到问题信息，以供以后热更新

2.4.2.4 查看JVM已加载的类信息-sc

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sc -d 类名（java.lang.String）

查看当前类的类加载器，如果为空，则为启动类加载器。

3 类的生命周期

3.1 生命周期的概述

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3.2 加载阶段

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3.2.1 查看内存中的对象

推荐使用JDK自带的hsdb工具查看Java虚拟机内部的内存信息。工具位于JDK安装目录下的lib文件夹的sa-jdi.jar中。

启动jvm项目的HsdbDemo

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使用jps展示当前所有的java进程及id

jps

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启动命令

D:\Software\software_with_code\idea\jdk\jdk1.8.0_381\lib>java -cp sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

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输入我们要找的类的编号HsdbDemo：18648

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直接搜索HsdbDemo，因为我们只new了一次，自然只有一个对象。

在这里插入图片描述

一句话概括：类加载器将类的信息加载到内存中，java虚拟机在方法区和堆区中各分配一个对象去保存这个信息，而我们需要操作的则是堆区中的对象，jdk8之后静态字段也是存在堆中的。

3.3 连接阶段

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3.3.1 验证阶段

3.3.1.1 验证是否符合jvm规范

在这里插入图片描述

3.3.1.2 元信息验证

在这里插入图片描述

3.3.1.3 验证语义

在这里插入图片描述

3.3.1.4 符号引用验证

判断是否访问了其他类的private方法。

3.3.2 准备阶段

在这里插入图片描述
value在准备阶段分配的值是默认值0，而赋值为1是初始化阶段做的事

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但是也有例外，如果是final修饰的基本数据类型，会在准备阶段直接将代码中的值进行赋值。

public static final int value=1;

3.3.3 解析阶段

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直接引用不在使用编号，而是直接使用内存中的地址进行访问具体的数据。

3.4 初始化阶段

初始化阶段会执行静态代码中的代码，并为静态变量赋值
初始化阶段会执行字节码文件中的clinit部分的字节码指令。

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如果颠倒一下顺序，那么输出则是1

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因为静态变量是在连接阶段的准备阶段完成默认初始化。然后再赋为2，再赋为1。

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3.4.1 笔试题

（1）

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构造代码块先于构造方法前执行

3.4.2 特殊情况

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直接访问父类的静态变量，不会触发子类的初始化。
子类的初始化clinit调用之前，会先调用父类的clinit初始化方法。
数组的创建不会导致数组中元素的类进行初始化。
- 是因为创建数组时是创建的数组的对象，而不是数组中元素的对象。所以数组中元素的类不会进行初始化。
如果一个变量用final修饰，并且其中的内容要执行指令才能得出结果，那么会在clinit方法中进行初始化。

3.5 总结

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4 类的加载器

类加载器是jvm提供给应用程序去实现获取类和接口字节码数据的技术。

负责在类加载过程中的字节码获取并且加载到内存这一部分。通过加载字节码数据放入内存转换成byte[]，接下来调用虚拟机底层的方法将byte[]转换成方法区和堆中的数据。

4.1 类加载器的分类

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俩下Shift是搜索
Ctrl+Alt+类是找当前类的所有实现

4.1.1 JDK8之前的分类

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引导类加载器 Bootstrap，加载属于JVM的一部分，由C++代码实现，负责加载<JAVA_HOME\>\jre\lib路径下的核心类库
扩展类加载器 ExtClassLoader，扩展类加载器负责加载<JAVA_HOME>\jre\lib\ext目录下的类库。
应用程序类加载器 AppClassLoader，应用程序类加载器负责加载 classpath环境变量所指定的类库，是用户自定义类的默认类加载器。

4.1.2 使用Arthas查看类加载器-classloader

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启动Hsdbdemo后打开arthas，在arthas工作目录中启动

java -jar arthas-boot.jar

进入Hsdbdemo

classloader

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4.1.3 C++启动类加载器BootstrapClassLoader

负责加载<JAVA_HOME\>\jre\lib路径下的核心类库

通过类名.class.getClassLoader来获取当前类的类加载器。

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添加java虚拟机参数D:/jvm/jar/classloader-test.jar是jar包地址

-Xbootclasspath/a:D:/jvm/jar/classloader-test.jar

4.1.4 Java中默认类加载器

在这里插入图片描述

4.1.4.1 扩展类加载器ExtClassLoader

扩展类加载器 ExtClassLoader，扩展类加载器负责加载<JAVA_HOME>\jre\lib\ext目录下的类库。

在这里插入图片描述

添加java虚拟机参数D:/jvm/jar/classloader-test.jar是jar包地址。

不仅需要jar包的地址，还需要原来ext的地址D:\Software\software_with_code\idea\jdk\jdk1.8.0_381\jre\lib\ext

-Djava.ext.dirs="D:\Software\software_with_code\idea\jdk\jdk1.8.0_381\jre\lib\ext;D:/jvm/jar/classloader-test.jar"

在windows中;是追加，linux和mac中:是追加，尽量用双引号引起俩，以免因为特殊字符报错。

4.1.4.2 应用程序类加载器 AppClassLoader

应用程序类加载器 AppClassLoader，应用程序类加载器负责加载 classpath环境变量所指定的类库，是用户自定义类的默认类加载器。既可以加载当前项目中创建的类，也可以加载maven依赖中包含的类。

4.1.4.3 Arthas-classloader高级用法

classloader -l

在这里插入图片描述

查看当前所有的类加载器以及其哈希值

classloader -c hash值

在这里插入图片描述

查看当前查询的类加载器加载的所有jar包

在这里插入图片描述

4.2 类加载器的双亲委派机制

jvm中有多个类加载器，双亲委派机制的核心就是解决一个类到底由谁加载的问题。

双亲委派机制的作用：

保证类加载的安全性

通过双亲委派机制避免恶意代码替换JDK中的核心类库，比如Java.lang.String，确保核心类库的完整性和安全性。
避免重复加载

双亲委派机制可以避免同一个类被多次加载

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4.2.1 Arthas查看类加载器父子关系

classloader -t

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4.2.2 面试

在这里插入图片描述

4.3 打破双亲委派机制

在这里插入图片描述

4.3.1 自定义类加载器

在这里插入图片描述

@Override
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    if(name.startsWith("java.")){
        return super.loadClass(name);
    }
    byte[] data = loadClassData(name);
    return defineClass(name, data, 0, data.length);
}

public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException {
    BreakClassLoader1 classLoader1 = new BreakClassLoader1();
    classLoader1.setBasePath("D:\\lib\\");
    Class<?> clazz1 = classLoader1.loadClass("com.itheima.my.A");
    BreakClassLoader1 classLoader2 = new BreakClassLoader1();
    classLoader2.setBasePath("D:\\lib\\");
    Class<?> clazz2 = classLoader2.loadClass("com.itheima.my.A");
    System.out.println(clazz1 == clazz2);
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(classLoader1);
    System.out.println(Thread.currentThread().getContextClassLoader());
    System.in.read();
 }

重写loadClass方法，删除双亲委派机制，如果是java开头的jar包，就交给原先父类的loadClass，如果是自定义的，就自己直接加载。

自定义类加载器没指定双亲的话，默认双亲为应用程序类加载器

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4.3.1.1 Arthas展示类的详细信息

sc -d com.itheima.my.A

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因为刚刚用两个不同的类加载器加载com.itheima.my.A，自然得到两个不同的对象

4.3.1.2 正确的自定义类加载器

在这里插入图片描述

4.3.2 线程上下文类加载器

在这里插入图片描述

DriverManager类位于rt.jar包中，由启动类加载器加载。

在这里插入图片描述

4.3.2.1 SPI机制

SPI全程Service Provider Interface，是JDK内置的一种服务提供发现的机制

需要在resources目录下新建META-INF/services目录，并且在这个目录下新建一个与上述接口的全限定名一致的文件java.sql.Driver的接口，在这个文件中写入接口的实现类的全限定名com.mysql.cj.jdbc.Driver。

在这里插入图片描述

ServiceLoader这个类的源码如下：

public final class ServiceLoader<S> implements Iterable<S> {
    //扫描目录前缀
    private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
    // 被加载的类或接口
    private final Class<S> service;
    // 用于定位、加载和实例化实现方实现的类的类加载器
    private final ClassLoader loader;
    // 上下文对象
    private final AccessControlContext acc;
    // 按照实例化的顺序缓存已经实例化的类
    private LinkedHashMap<String, S> providers = new LinkedHashMap<>();
    // 懒查找迭代器
    private java.util.ServiceLoader.LazyIterator lookupIterator;
    // 私有内部类，提供对所有的service的类的加载与实例化
    private class LazyIterator implements Iterator<S> {
        Class<S> service;
        ClassLoader loader;
        Enumeration<URL> configs = null;
        String nextName = null;
        //...
        private boolean hasNextService() {
            if (configs == null) {
                try {
                    //获取目录下所有的类
                    String fullName = PREFIX + service.getName();
                    if (loader == null)
                        configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);
                    else
                        configs = loader.getResources(fullName);
                } catch (IOException x) {
                    //...
                }
                //....
            }
        }
        private S nextService() {
            String cn = nextName;
            nextName = null;
            Class<?> c = null;
            try {
                //反射加载类
                c = Class.forName(cn, false, loader);
            } catch (ClassNotFoundException x) {
            }
            try {
                //实例化
                S p = service.cast(c.newInstance());
                //放进缓存
                providers.put(cn, p);
                return p;
            } catch (Throwable x) {
                //..
            }
            //..
        }
    }
}

在这里插入图片描述

在线程中使用

Thread.currentThread().getContextClassLoader()

默认获得的是应用程序类加载器

4.3.2.2 总结

在这里插入图片描述

所以说，打破双亲委派机制的唯一方法就是重写loadClass或者findClass方法。

4.3.3 热部署

在这里插入图片描述

启动SpringbootClassfileApplication后，使用arthas进入，反编译出UserController

java -Dfile.encoding=UTF-8 -jar arthas-boot.jar

jad --source-only com.itheima.springbootclassfile.controller.UserController > "D:\Code\JavaCode\JVM\hot-replace\UserController.java"

在这里插入图片描述

修改为

if (type.equals(UserType.REGULAR.getType())) {

编译成字节码文件，如果直接编译，则会因为找不到类加载器而报错，所以需要先找到UserController.java的类加载器，获取其哈希值。
```
sc -d com.itheima.springbootclassfile.controller.UserController
```

mc -c指定类加载器的哈希码 -d指定输出目录

mc -c 18b4aac2 "D:\Code\JavaCode\JVM\hot-replace\UserController.java" -d "D:\Code\JavaCode\JVM\hot-replace"

在这里插入图片描述

通过retransform

retransform "D:\Code\JavaCode\JVM\hot-replace\com\itheima\springbootclassfile\controller\UserController.class"

在这里插入图片描述

用jad查看热部署是否完成
发送http请求

说明热部署已经完成

4.3.3.1 热更新注意事项

在这里插入图片描述

4.4 JDK8之后的类加载器

在这里插入图片描述

应用类加载器和扩展类加载器都是继承关系从URLClassLoader变为BuiltinClassLoader，没有太大的区别。