JVM——Java 虛擬機是如何加載 Java 類的？

引入

在 Java 世界的底層運作中，類加載機制扮演著一個既神秘又關鍵的角色。它就像是一個精心設計的舞臺幕后 machinery，確保了 Java 程序能夠順利運行。今天，我們就深入探索 Java 虛擬機（JVM）是如何加載 Java 類的。

類加載的背景

Java 語言的一個核心優勢是它的平臺無關性，而這一優勢在很大程度上依賴于 Java 虛擬機（JVM）。JVM 作為一個抽象的規范，定義了一個可以執行 Java 字節碼的環境。這個環境能夠將 Java 字節碼轉換成特定平臺上的機器碼，從而實現了 “一次編寫，到處運行” 的承諾。

Java 程序在運行時，需要將類文件（.class）加載到 JVM 的內存中。這個過程不僅涉及到類文件的讀取，還包括對類的驗證、準備、解析和初始化等一系列復雜的操作。這些步驟確保了類的正確性和安全性，并為類的執行做好準備。

類加載的步驟

類加載過程可以分為以下三個主要階段：加載（Loading）、鏈接（Linking）和初始化（Initialization）。

每個階段都有其獨特的任務和目標。

（一）加載階段

加載階段是類加載過程的起始點。在這個階段，JVM 需要將類的字節碼從各種來源（如本地文件系統、網絡等）讀取進來，并將其轉換為一個 Java 類的表示形式，存放在方法區（Method Area）中。

字節碼來源：字節碼可以來源于多個渠道，最常見的是由 Java 編譯器生成的 class 文件。除此之外，字節碼也可以在程序運行時動態生成，或者從網絡中獲取（例如在網頁中運行的 Java Applet）。
類加載器：類加載器（ClassLoader）是加載階段的核心組件。JVM 提供了多個內置的類加載器，包括啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader）、擴展類加載器（Extension ClassLoader）和應用類加載器（Application ClassLoader）。每個類加載器都有其特定的職責和加載路徑。
- 啟動類加載器：負責加載 Java 核心類庫（如 java.lang.Object、java.lang.String 等），這些類位于 JRE 的 lib 目錄下。
- 擴展類加載器：負責加載 Java 擴展類庫，這些類通常位于 JRE 的 lib/ext 目錄下。
- 應用類加載器：負責加載應用程序類路徑（classpath）上的類文件。
雙親委派模型：類加載器采用了雙親委派模型（Parent Delegation Model）。當一個類加載器收到類加載請求時，它會先將請求委托給父類加載器。只有當父類加載器無法完成加載任務時，子類加載器才會嘗試自己加載。這種模型保證了 Java 核心類庫的類總是由啟動類加載器加載，避免了類的多次加載和版本沖突問題。

（二）鏈接階段

鏈接階段的目標是將加載進來的類整合到 JVM 中，使其能夠被虛擬機執行。

鏈接過程分為三個步驟：驗證、準備和解析。

驗證：驗證階段確保加載的類信息符合 JVM 的規范，并且不會危害虛擬機的安全。這一步驟對類的字節碼進行嚴格檢查，包括文件格式驗證、元數據驗證、字節碼驗證和符號引用驗證。
- 文件格式驗證：檢查類文件的格式是否正確，例如魔數是否正確、版本號是否受支持等。
- 元數據驗證：驗證類的元數據（如字段、方法、訪問修飾符等）是否符合語義規范。
- 字節碼驗證：分析字節碼指令，確保它們不會執行非法操作，如非法跳轉、類型轉換錯誤等。
- 符號引用驗證：確保解析動作能正確執行，即符號引用所指向的類、字段、方法確實存在。
準備：準備階段為類的靜態變量分配內存，并設置其初始值。這些初始值通常是該類型的默認值（如整數類型的默認值為 0，布爾類型的默認值為 false 等）。在這個階段，JVM 還會為類的字段、方法等創建數據結構，以便后續的訪問和操作。
解析：解析階段將類、接口、字段和方法的符號引用轉換為直接引用。符號引用是以符號形式表示的類、接口、字段或方法的名稱和描述符等信息。直接引用則是指向內存中具體位置的指針或句柄，可以直接訪問目標數據。解析過程包括對類或接口、字段、方法和接口方法的解析。

（三）初始化階段

初始化階段是類加載過程的最后一步。在這個階段，JVM 執行類構造器（<clinit>() 方法），對類的靜態變量進行初始化操作。類的初始化是按照 Java 代碼的語義進行的，包括對靜態變量的顯式賦值和靜態代碼塊的執行。

類構造器 <clinit>()：類構造器是由編譯器生成的特殊方法，它包含了類的靜態變量初始化代碼和靜態代碼塊中的代碼。JVM 會保證類構造器只被調用一次，并且在多線程環境下是線程安全的。
初始化觸發條件：類的初始化并不是在類加載完成后立即執行的，而是需要滿足一定的條件才會觸發。以下是一些常見的觸發類初始化的場景：
- 遇到 new 指令，創建類的實例。
- 調用類的靜態方法。
- 訪問類的靜態字段。
- 子類的初始化會觸發父類的初始化。
- 使用反射 API 對類進行反射調用。
- 初始化一個接口時，如果該接口含有 static-initializer 或 default 方法，則會觸發接口的初始化。

類加載的實踐示例

接下來，我們通過一個簡單的示例來展示類加載的過程。我們將使用以下代碼片段來演示類的加載和初始化。

public class Singleton {private Singleton() {}
?private static class LazyHolder {static final Singleton INSTANCE = new Singleton();static {System.out.println("LazyHolder.<clinit>");}}
?public static Object getInstance(boolean flag) {if (flag) {return new LazyHolder[2];}return LazyHolder.INSTANCE;}
?public static void main(String[] args) {getInstance(true);System.out.println("----");getInstance(false);}
}

在上述代碼中，我們定義了一個單例類 Singleton，并使用了懶漢式模式的 LazyHolder 內部類來實現延遲初始化。我們可以通過以下步驟來觀察類加載和初始化的過程：

打印類加載日志：使用 JVM 參數 -verbose:class 來打印類加載的順序。這個參數會告訴 JVM 在控制臺輸出每個類加載的信息。
```
java -verbose:class Singleton
```
觀察類初始化的觸發時機：在 LazyHolder 內部類的靜態代碼塊中打印特定字樣，以便觀察類初始化的時機。
修改字節碼并重新加載：使用 jdis 和 jasm 工具對類的字節碼進行反匯編和重新匯編，觀察修改后的類加載和初始化行為。

拓展

自定義類加載器

除了 JVM 提供的默認類加載器外，我們還可以創建自定義類加載器來實現特殊的類加載需求。自定義類加載器可以實現以下功能：

對類文件進行加密和解密，以保護代碼不被輕易篡改或竊取。
動態生成類字節碼，實現運行時類的動態加載。
加載來自網絡或其他非傳統來源的類文件。

自定義類加載器通過繼承 java.lang.ClassLoader 類并重寫 findClass 方法來實現自定義的類加載邏輯。

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {// 自定義類加載邏輯byte[] classData = loadClassData(name);if (classData == null) {throw new ClassNotFoundException();}return defineClass(name, classData, 0, classData.length);}
?private byte[] loadClassData(String name) {// 實現類數據的加載邏輯// 例如從文件系統、網絡或加密存儲中讀取類文件return null;}
}