【JVM】类加载

1. 类加载过程

Java虚拟机（JVM）的类加载过程是将字节码文件（.class文件）从存储设备加载到内存，并为其创建相应的类对象的过程。类加载是Java程序运行的基础，保证了程序的动态性和安全性。JVM的类加载过程主要分为五个阶段：加载（Loading）、连接（Linking）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）。其中，连接阶段又分为验证、准备和解析三个子阶段。

1.1 加载（Loading）

在这个阶段，JVM通过类加载器将类的字节码从文件系统或网络等资源中加载到内存，并创建一个java.lang.Class对象来表示这个类。加载阶段包括以下几步：

通过类的全限定名查找并读取类的字节码文件（通常是.class文件）。
将字节码数据加载到JVM的内存中，并在方法区中生成类的运行时数据结构。
在堆中生成Class对象，作为类的字节码数据的访问入口。

注意：Java的类是按需加载的，只有在程序第一次使用某个类时，才会触发类的加载过程。

1.2 连接

连接阶段的目的是确保类可以被正确使用，它分为三个子阶段：验证、准备和解析。

验证（Verification）

图引用：[1]

验证是为了确保被加载的类的字节码是符合JVM规范的，并且不会破坏JVM的安全性。主要包括：

文件格式验证：检查.class文件的格式是否符合规范。
元数据验证：验证类中的元数据（如类的字段、方法）是否合法。
字节码验证：确保类的字节码操作符号是合法的，例如跳转指令不会跳到无效位置，数据类型操作正确等。
符号引用验证：检查解析时，符号引用是否能够解析到实际的类、字段或方法。

准备（Preparation）

准备阶段是为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值。注意，此时的初始化并不是为静态变量赋值，而只是分配内存和设置默认值（例如，int类型的默认值是0，boolean的默认值是false，引用类型的默认值是null）。

public static int a = 10;

在准备阶段，a的值为默认的0，而不是10。赋值操作将在初始化阶段进行。

解析（Resolution）

解析阶段是将类的符号引用转换为直接引用。符号引用是编译时期的一种表示方式，而直接引用是运行时的真实地址或偏移量。解析过程主要包括：

类或接口解析：将符号引用的类或接口解析为内存中的实际类或接口。
字段解析：将符号引用的字段解析为具体类的字段。
方法解析：将符号引用的方法解析为实际的方法地址。
接口方法解析：解析接口中的方法引用。

《深入理解 Java 虚拟机》7.34 节第三版对符号引用和直接引用的解释如下[1]：

解析过程可以在连接的解析阶段完成，也可以在类使用时延迟进行（例如动态绑定）。

1.3 初始化（Initialization）

初始化阶段是类加载过程中唯一一个会执行代码的阶段。在这个阶段，JVM执行类的静态代码块和静态变量的初始化赋值操作。

初始化阶段，Java 虚拟机真正开始执行类中编写的Java 程序代码，将主导权移交给应用程序。初始化阶段就是执行类构造器方法的过程。

例如：

public static int a = 10;
static {a = 20;
}

在初始化阶段，a将被赋值为20。

1.4. 使用（Using）

在类初始化之后，该类可以被程序使用。程序可以通过调用类的静态方法、访问静态字段、创建类实例等方式使用类。

1.5. 卸载（Unloading）

类的卸载是指当类不再被使用时，JVM将其从内存中移除。类的卸载通常由垃圾回收器完成，当没有任何类加载器引用该类的Class对象，并且类的实例也不再存在时，类才会被卸载。

2. 双亲委派模型

2.1 类加载器

Java的类加载器分为三大类，分别是：

引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）
- 负责加载Java核心库（如rt.jar中的类），例如java.lang.String、java.util.List等。这是JVM自身实现的类加载器，位于JVM的本地代码中，开发者无法直接操作引导类加载器。
- 引导类加载器从JRE安装目录下的lib目录或-Xbootclasspath指定的路径中加载类。
扩展类加载器（Extension ClassLoader）
- 加载JVM扩展库，一般是加载位于JRE/lib/ext目录下的类或由java.ext.dirs系统属性指定的目录下的类。开发者可以访问扩展类加载器。
- 该加载器是由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现的。
应用程序类加载器（Application ClassLoader）
- 加载应用程序类路径（CLASSPATH）中的类，负责加载用户编写的代码。开发者也可以自定义类加载器来代替应用程序类加载器。
- 该加载器是由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现的。它是我们编写的Java应用程序最常使用的类加载器。

除了 BootstrapClassLoader 是 JVM 自身的一部分之外，其他所有的类加载器都是在 JVM 外部实现的，并且全都继承自 ClassLoader抽象类。这样做的好处是用户可以自定义类加载器，以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。

每个 ClassLoader 可以通过getParent()获取其父 ClassLoader，如果获取到 ClassLoader 为null的话，那么该类是通过 BootstrapClassLoader 加载的

2.2 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最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完成加载。

双亲委派模型的实现代码非常简单，逻辑非常清晰，都集中在 java.lang.ClassLoader 的 loadClass() 中，相关代码如下所示。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException
{synchronized (getClassLoadingLock(name)) {//首先，检查该类是否已经加载过Class c = findLoadedClass(name);if (c == null) {//如果 c 为 null，则说明该类没有被加载过long t0 = System.nanoTime();try {if (parent != null) {//当父类的加载器不为空，则通过父类的loadClass来加载该类c = parent.loadClass(name, false);} else {//当父类的加载器为空，则调用启动类加载器来加载该类c = findBootstrapClassOrNull(name);}} catch (ClassNotFoundException e) {//非空父类的类加载器无法找到相应的类，则抛出异常}if (c == null) {//当父类加载器无法加载时，则调用findClass方法来加载该类//用户可通过覆写该方法，来自定义类加载器long t1 = System.nanoTime();c = findClass(name);//用于统计类加载器相关的信息sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}}if (resolve) {//对类进行link操作resolveClass(c);}return c;}
}

双亲委派模型的优点

1. 避免类的重复加载：同一个类只会由一个类加载器加载一次，避免了类的重复加载，保证了类加载的唯一性。

2.保证Java核心类的安全：如果允许自定义类加载器加载和替换Java核心类库中的类，例如java.lang.String，开发者可以定义一个具有相同全限定名（包名和类名）的自定义类。这样，当系统中调用String类时，可能会不小心使用开发者自定义的String类，导致系统行为出现不一致，甚至引发严重的安全问题。

为了防止这种情况，Java采用双亲委派机制。根据双亲委派模型，所有类加载器在尝试加载类时，首先会委派给父加载器，最终到达最顶层的引导类加载器。引导类加载器专门负责加载JDK中的核心类库，并确保这些核心类库的加载不可被覆盖。