【JVM】Java類加載機制

什么是類加載？

在 Java 的世界里，每一個類或接口在經過編譯后，都會生成對應的 .class 字節碼文件。

所謂類加載機制，就是 JVM 將這些 .class 文件中的二進制數據加載到內存中，并對其進行校驗、解析、初始化等一系列操作。最終，每個類都會在方法區（或元空間）中保留一份結構化的類信息（元數據），并在Java 堆中創建一個 java.lang.Class 類型的對象，供程序運行時使用。

從 JVM 的角度看，一個類的生命周期包括以下 7 個階段：

加載 → 驗證 → 準備 → 解析 → 初始化 → 使用 → 卸載

其中，前五個階段（加載、驗證、準備、解析、初始化）統稱為類的加載過程。其中，驗證、準備和解析這三個階段可以統稱為連接。

需要注意的是，類加載的五個階段并不是嚴格按順序線性執行的，而是相互交叉、動態混合的過程。

例如：

• 部分驗證操作（如文件格式驗證）可能在加載 .class 文件的過程中就被觸發。
• 符號引用的解析可能被延遲到真正使用時才發生。

類加載的詳細過程

1.加載

• 任務： 查找并加載類的二進制數據（通常是 .class 文件，但來源可以多樣）。

• 過程：

  • 通過類的全限定名（如 java.lang.String 或 com.example.MyClass）獲取定義此類的二進制字節流。這個字節流來源可以是文件系統（最常見的）、網絡、ZIP/JAR包、運行時計算生成（動態代理）、數據庫等等。

  類的全限定名就是類的完整名稱，即：包名 + 類名（如 java.lang.String 或 com.example.MyClass）

  • 將這個字節流所代表的靜態存儲結構轉換為方法區 的運行時數據結構。
  • 在堆（Heap） 內存中創建一個代表這個類的 java.lang.Class 對象，作為方法區中這個類的各種數據的訪問入口。常用的 .class 和 getClass() 返回的就是這個對象。

  public class CustomLoader extends ClassLoader {@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) {// 1. 獲取字節流（可來自文件/網絡/數據庫等）byte[] bytes = loadClassBytes(name); // 2. 轉換為方法區數據結構// 3. 創建Class對象return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);}
  }
  

• 關鍵點：

  • 由類加載器 完成。

  • 加載的最終產物是堆中的 Class 對象。

  • 類的加載是懶惰的，首次用到時才會加載：

    1. 使用了類.class
    2. 用類加載器的 loadClass 方法加載類
    3. 滿足類的初始化條件（后文有詳細介紹）

    參考：2-類加載_驗證類加載是懶惰的_嗶哩嗶哩_bilibili

2.連接

2.1 驗證

• 任務： 確保加載的字節碼信息符合 JVM 規范，是安全、無害的，不會危害虛擬機自身安全。
• 內容：
  • 文件格式驗證（魔數、版本號等）
  • 元數據驗證（語義分析，如是否有父類、是否繼承了final類、是否實現接口所有方法等）
  • 字節碼驗證（數據流和控制流分析，確保邏輯正確，如操作數棧類型匹配、跳轉指令目標合理等）
  • 符號引用驗證（檢查常量池中的符號引用能否找到對應的類、字段、方法等）。
• 重要性： 保護JVM安全，防止惡意代碼或損壞的字節碼文件導致JVM崩潰或執行危險操作。雖然耗點時間，但對系統穩定性至關重要。

2.2 準備

• 任務： 為類的靜態變量分配內存，并設置默認初始值。
• 過程：
  • 在方法區中為這些靜態變量分配內存空間。
  • 設置默認初始值：
    • 基本類型：int -> 0, long -> 0L, float -> 0.0f, double -> 0.0d, char -> '\u0000', boolean -> false。
    • 引用類型：null。
• 關鍵點：
  • 這里分配內存并初始化的是類變量（static變量），不是實例變量。
  • 初始化的值是默認零值，不是代碼中顯式賦的值（如 public static int value = 123;，在準備階段后 value 是 0，賦值 123 的操作發生在后面的初始化階段）。
  • 如果靜態變量是 final 修飾的基本類型或 String 常量，并且在編譯時就能確定值（如 public static final int CONSTANT = 100;），那么這個值會直接在準備階段被賦予（此時 CONSTANT 就是 100）。

2.3 解析

• 任務： 將常量池內的符號引用 替換為直接引用。
• 符號引用與直接引用：
  • 符號引用： 一組描述被引用目標（類、字段、方法）的符號。例如，java/lang/Object（類名）、toString:()Ljava/lang/String;（方法名和描述符）。它只是一個字面量引用，與內存布局無關。
  • 直接引用： 一個能直接定位到目標（類在方法區的地址、字段或方法在內存中的偏移量或句柄）的指針、偏移量或句柄。它是與JVM運行時內存布局相關的。
• 過程： JVM 查找符號引用所指向的類、字段或方法的實際位置，并將常量池中的符號引用替換為指向該位置的直接引用。
• 時機： 解析階段可以在初始化之前完成，也可以在初始化之后完成（甚至延遲到第一次實際使用該符號引用時），這取決于 JVM 的實現策略（“及早解析”或“惰性解析”）。

3.初始化

• 任務： 執行類的初始化代碼，主要是執行類構造器 <clinit>() 方法。
• <clinit>() 方法：
  • 由編譯器自動收集類中所有類變量（static變量）的顯式賦值動作和靜態代碼塊（static {} 塊） 中的語句合并生成。
  • 順序：按源代碼中出現的順序執行。
  • 父類的 <clinit>() 優先于子類的執行。
  • 虛擬機會保證一個類的 <clinit>() 方法在多線程環境下被正確地加鎖、同步（即線程安全）。如果一個線程正在執行它，其他線程會阻塞等待。
• 觸發時機（嚴格規定）： 類只有在以下 6 種情況之一發生時，才會立即進行初始化（加載和連接可能更早發生）：
  1. 創建類的實例 (new)。
  2. 訪問類的靜態變量（讀取或賦值），除非該靜態變量是 final 常量并且在編譯期就能確定值（常量傳播優化）。
  3. 調用類的靜態方法 (static 方法)。
  4. 使用反射 (Class.forName("..."), getMethod 等) 對類進行反射調用。
  5. 初始化一個類的子類時，會觸發其父類的初始化。
  6. JVM 啟動時被標明為啟動類（包含 main() 方法的那個類）。
• 關鍵點：
  • 這是類加載過程的最后一步。
  • 此時才真正執行程序員的代碼邏輯（靜態賦值、靜態塊）。
  • 之前的“準備”階段只是分配內存并賦零值，這里是賦程序員定義的值。

類加載器

在類加載的第一個階段——加載中，JVM 需要根據類的全限定名，找到并讀取其對應的字節碼文件（.class 文件）。

這個查找和讀取 .class 字節流的工作，正是由類加載器來完成的。

JVM 中內置了三個重要的 ClassLoader：

1. Bootstrap ClassLoader (啟動類/引導類加載器)：
   • 用原生代碼（C/C++）實現，是 JVM 自身的一部分。
   • 負責加載 JAVA_HOME/lib 目錄下的核心 Java 庫（如 rt.jar, charsets.jar）或 -Xbootclasspath 參數指定的路徑中的類。
   • 是最高級別的加載器，沒有父加載器。
   • null 表示： 在 Java 代碼中試圖獲取它的引用時，返回 null。
2. Extension ClassLoader (擴展類加載器)：
   • 由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 實現（Java）。
   • 負責加載 JAVA_HOME/lib/ext 目錄下的擴展庫，或 java.ext.dirs 系統變量指定的路徑中的所有類庫。
   • 其父加載器是 Bootstrap ClassLoader。
3. Application ClassLoader (應用程序類加載器 / 系統類加載器)：
   • 由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 實現（Java）。
   • 負責加載用戶類路徑（ClassPath） 上所指定的類庫。這是我們程序中默認的類加載器。
   • 其父加載器是 Extension ClassLoader。
   • 通過 ClassLoader.getSystemClassLoader() 可以獲取到它。

除了這三種類加載器之外，用戶還可以加入自定義的類加載器來進行拓展，以滿足自己的特殊需求：

除了 BootstrapClassLoader 是 JVM 自身的一部分之外，其他所有的類加載器都是在 JVM 外部實現的，并且全都繼承自 ClassLoader抽象類。如果我們要自定義自己的類加載器，需要繼承 ClassLoader抽象類。

ClassLoader 類中有兩個核心方法：

• protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)

  加載指定名稱的類。該方法實現了雙親委派模型：會先委托給父加載器嘗試加載，如果父加載器無法完成，才會調用自身的 findClass() 方法進行加載。

  protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// 先檢查當前類是否已經加載Class<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {try {if (parent != null) {// 先讓父類加載器嘗試加載c = parent.loadClass(name, false);} else {// 如果沒有父加載器（即引導類加載器），使用 bootstrap 加載c = findBootstrapClassOrNull(name);}} catch (ClassNotFoundException e) {// 忽略異常，進入下一步由自己加載}if (c == null) {// 如果父加載器無法加載，再嘗試使用當前類加載器加載c = findClass(name);}}if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}
  }
  

• protected Class<?> findClass(String name)
  根據類名查找類的定義并返回對應的 Class 對象。默認實現是拋出 ClassNotFoundException，需要我們在子類中重寫。

  protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {throw new ClassNotFoundException(name);
  }
  

如果我們不想打破雙親委派模型，就重寫 ClassLoader 類中的 findClass() 方法即可，無法被父類加載器加載的類最終會通過這個方法被加載。但是，如果想打破雙親委派模型則需要重寫 loadClass() 方法。

雙親委派模型簡介

雙親委派模型是 Java 類加載機制的重要組成部分，它通過委派父加載器優先加載類的方式，實現了兩個關鍵的安全目標：避免類的重復加載和防止核心 API 被篡改。

• 工作流程： 當一個類加載器收到加載類的請求時：

  1. 它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把這個請求委派給父類加載器去完成。
  2. 每一層的類加載器都是如此，因此所有的加載請求最終都應該傳送到頂層的啟動類加載器。
  3. 只有當父加載器反饋自己無法完成這個加載請求（在它的搜索范圍中沒有找到所需的類）時，子加載器才會嘗試自己去加載。

• 核心思想： “向上委派，向下加載”。

  

• 核心目的：

  • 保證基礎類的唯一性和安全性： 防止用戶自定義一個與核心庫（如 java.lang.Object）同名的類被加載，從而覆蓋核心庫的行為（沙箱安全機制）。
  • 避免重復加載： 父加載器已經加載過的類，子加載器就不會再加載（在同一個命名空間內）。

內容參考

【JVM】Java類加載機制這塊算是玩明白了_嗶哩嗶哩_bilibili

類加載器詳解（重點）