Java类加载机制

Java类加载机制是指 JVM 把类的字节码文件加载到内存，并进行链接和初始化的过程。这个过程主要分为加载、连接、初始化、使用和卸载过程，其中连接（Linking）又可以细分为验证、准备和解析3个部分。下面具体介绍下加载、连接和初始化三个过程。

加载

加载是“类加载”（Class Loading）过程的一个阶段，是通过双亲委派机制进行类的加载。在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：

• 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；
• 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；
• 在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，作为方法区中这个类的各种数据的访问入口。

类加载器

把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类，实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。 对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。类加载器可分为启动类加载器、扩展类加载器和应用类加载器。

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

负责将存放在 <JAVA_HOME>\lib 目录中的，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加载到虚拟机内存中（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）。

扩展类加载器（Extension ClassLoader）

这个加载器 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现，它负责加载 <JAVA_HOME>\lib\ext 目录中的，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。

应用类加载器（Application ClassLoader）

这个类加载器由 sun.misc.Launcher$App-ClassLoader 实现。由于这个类加载器是 ClassLoader 中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

类加载模型

双亲委派模型

如果一个类加载器收到了类加载的请求，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，每一个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。

双亲委派模型对于保证 Java 程序的稳定运作很重要，但它的实现却非常简单，实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader 的 loadClass() 方法之中，逻辑清晰易懂：先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父加载器的loadClass() 方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的 findClass() 方法进行加载。

验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。主要包括以下验证内容：

• 文件格式验证。第一阶段要验证字节流是否符合 Class 文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。
• 元数据验证。对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合 Java 语言规范的要求，这个阶段可能包括的验证点包括：
  • 这个类是否有父类（除了 java.lang.Object 之外，所有的类都应当有父类）；
  • 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）；
  • 如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法等等。
• 字节码验证。这是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件。
• 符号引用验证。最后一个阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段，即解析阶段中发生。通常需要校验下列内容：
  • 符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。
  • 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段。
  • 符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可被当前类访问。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下。

• 这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。
• 这里所说的初始值通常情况下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：public static final int value = 123， 那变量 value 在准备阶段过后的初始值为 0 而不是 123，因为这时候尚未开始执行任何 Java 方法。

解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

符号引用（Symbolic References）：符号引用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，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。
直接引用（Direct References）：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。

它解析的内容主要包括类或接口的解析、字段解析、类方法解析、接口方法解析等。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码）。初始化阶段是执行类构造器 <clinit>() 方法的过程。

<clinit>() 方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量。

<clinit>() 方法与类的构造函数（或者说实例构造器 <init>() 方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的 <clinit>() 方法执行之前，父类的 <clinit>() 方法已经执行完毕。由于父类的 <clinit>() 方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。

<clinit>() 方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成 <clinit>() 方法。

接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成 <clinit>() 方法。但接口与类不同的是，执行接口的 <clinit>() 方法不需要先执行父接口的 <clinit>() 方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的 <clinit>() 方法。

虚拟机会保证一个类的 <clinit>() 方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的 <clinit>() 方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行 <clinit>() 方法完毕。