JVM类加载详解

JVM 的类加载过程是将.class 文件（字节码文件）从磁盘加载到内存，并最终转化为 JVM 可直接使用的类对象（Class 对象） 的过程，整个过程严格遵循加载、链接、初始化 三个核心阶段，其中链接阶段又细分为验证、准备、解析三个子步骤。

一、类加载的整体流程

类加载的完整生命周期为：加载 → 验证 → 准备 → 解析 → 初始化 → 使用 → 卸载 ，其中加载、验证、准备、初始化、卸载 这五个阶段的顺序是确定的，而解析阶段则可能在初始化阶段之后执行（为了支持动态绑定 / 晚期绑定）。

二、各阶段详细解析

（一）加载（Loading）

核心目标 ：将字节码文件加载到内存，并创建对应的java.lang.Class对象（类的元数据载体）。这是类加载过程的第一个阶段，由类加载器（ClassLoader） 完成，主要做三件事：

获取字节流
- 通过类的全限定名 （如java.lang.String），从不同来源读取字节码文件的二进制流：
  - 本地文件系统（最常见，.class 文件）；
  - JAR/ZIP 等归档文件；
  - 网络（如 Applet）；
  - 动态生成（如动态代理、JSP 编译）；
  - 数据库等其他来源。
转换存储结构
- 将读取到的字节流转换为 JVM方法区的运行时数据结构（方法区存储类的元数据，如类的版本、字段、方法、常量池等）。
创建 Class 对象
- 在堆内存 中创建该类的java.lang.Class对象，作为方法区中该类元数据的访问入口（后续所有对类的操作都通过这个 Class 对象进行）。

关键特性：

类加载器的双亲委派模型在此阶段起作用（保证类的唯一性，避免核心类被篡改）。
一个类的 Class 对象在 JVM 中是唯一的（同一个类加载器加载的同一个类）。

（二）链接（Linking）

链接阶段的核心目标是将加载到内存的类的元数据进行验证、准备和解析，确保其符合 JVM 规范，且能被 JVM 正确使用。

1. 验证（Verification）

核心目标 ：保证字节码文件的合法性、安全性、正确性，防止恶意或错误的字节码导致 JVM 崩溃。这是链接阶段最复杂的步骤，分为四个子验证：

验证类型	验证内容
文件格式验证	检查字节码文件的魔数（0xCAFEBABE）、版本号（是否兼容当前 JVM）、常量池格式等。
元数据验证	检查类的继承关系（如是否继承了 final 类、是否实现了接口的所有方法）、字段 / 方法的语义合法性。
字节码验证	检查字节码指令的逻辑合理性（如指令执行顺序、操作数栈的类型匹配、跳转指令的合法性），防止执行非法操作。
符号引用验证	检查符号引用的有效性（如引用的类、方法、字段是否存在，权限是否足够）。

作用：如果验证失败，会抛出VerifyError异常（如不支持的类版本号会抛出UnsupportedClassVersionError）。

2. 准备（Preparation）

核心目标 ：为类的静态变量（类变量） 分配内存，并设置默认初始值（非程序员指定的初始值）。

关键细节：

分配内存的位置 ：JDK 7 及之前，静态变量存储在方法区 ；JDK 8 及之后，方法区被元空间（Metaspace）替代，静态变量移至堆内存（Class 对象的一部分）。
默认初始值规则 ：

数据类型默认初始值

byte/short/int 0

long 0L

float 0.0f

double 0.0d

boolean false

char '\u0000'（空字符）

引用类型 null
特殊情况 ：如果静态变量被final修饰（编译期常量），则在准备阶段直接赋值为程序员指定的常量值（如public static final int NUM = 10;，准备阶段 NUM 就会被赋值为 10），而非默认值。

数据类型	默认初始值
byte/short/int	0
long	0L
float	0.0f
double	0.0d
boolean	false
char	'\u0000'（空字符）
引用类型	null

示例：

java 复制代码

public class Test {
    public static int a = 10; // 准备阶段a被赋值为0，初始化阶段才会赋值为10
    public static final int b = 20; // 准备阶段b直接赋值为20
}

3. 解析（Resolution）

核心目标 ：将常量池中的符号引用 转换为直接引用。

符号引用 ：以字符串形式表示的类、方法、字段的引用（如java.lang.String、add()V），不直接指向内存地址。
直接引用：指向内存中实际对象的指针、偏移量或句柄（可以直接定位到目标的内存地址）。

解析的主要对象包括：

类或接口的解析：将符号引用的类名转换为对应的 Class 对象的直接引用。
字段的解析：将符号引用的字段名转换为对应字段在类中的内存偏移量。
方法的解析：将符号引用的方法名转换为对应方法的直接引用（静态方法、私有方法等非虚方法在此阶段完成解析，虚方法则在运行时通过动态分派解析）。

注意：解析阶段并非必须在准备阶段后立即执行，JVM 可以根据需要延迟解析（如在首次调用方法时才解析），这为动态绑定（晚期绑定） 提供了支持。

（三）初始化（Initialization）

核心目标 ：执行类的静态代码块（static {}） 和为静态变量 赋值为程序员指定的初始值，这是类加载过程中唯一由程序员编写的代码执行的阶段。

1. 初始化的触发条件（主动使用）

JVM 规范规定，只有当类被主动使用时才会触发初始化，被动使用不会触发。主动使用的场景包括：

创建类的实例（new Test()）；
调用类的静态方法（Test.staticMethod()）；
访问类的静态变量（非 final 修饰的，如Test.a）；
反射调用（Class.forName("com.test.Test")）；
初始化一个类的子类（子类初始化时，父类会先被初始化）；
JVM 启动时的主类（包含main()方法的类）；
调用 JDK 7 及以上的java.lang.invoke.MethodHandle实例（且该实例指向的方法是静态方法）。

被动使用的场景（不触发初始化）：

访问类的静态常量（final修饰的编译期常量，如Test.b）；
通过子类访问父类的静态变量（仅触发父类初始化，子类不初始化）；
数组创建（Test[] arr = new Test[10];，仅创建数组对象，不初始化 Test 类）；
类加载器的loadClass()方法加载类（仅触发加载，不触发初始化）。

2. 初始化的执行顺序

初始化阶段严格按照以下顺序执行：

父类的初始化：如果类有父类且父类未被初始化，则先初始化父类（保证父类的静态代码和静态变量先执行）。
静态变量的赋值：按代码编写顺序为静态变量赋值。
静态代码块的执行 ：按代码编写顺序执行静态代码块（静态变量赋值和静态代码块在编译时会被合并为<clinit>()方法）。

关键特性：

类的<clinit>()方法（类初始化方法）：由编译器自动收集类中的静态变量赋值语句和静态代码块组成，只会被 JVM 执行一次（保证类只初始化一次）。
如果类中没有静态变量赋值和静态代码块，则编译器不会生成<clinit>()方法。
<clinit>()方法不需要显式调用，由 JVM 在初始化阶段自动执行。

示例：

java 复制代码

class Parent {
    public static int parentVar = 10;
    static {
        System.out.println("Parent静态代码块");
    }
}

class Child extends Parent {
    public static int childVar = 20;
    static {
        System.out.println("Child静态代码块");
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Child.childVar);
        // 输出顺序：
        // Parent静态代码块
        // Child静态代码块
        // 20
    }
}

三、类加载器与双亲委派模型

类加载的过程由类加载器完成，JVM 的类加载器体系遵循双亲委派模型，这是保证类加载安全和唯一性的核心机制。

类加载器的分类：
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader） ：由 C++ 实现，负责加载$JAVA_HOME/jre/lib下的核心类库（如 rt.jar）。
- 扩展类加载器（Extension ClassLoader） ：负责加载$JAVA_HOME/jre/lib/ext下的扩展类库。
- 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载用户类路径（ClassPath）下的类。
- 自定义类加载器 ：用户继承ClassLoader类实现的类加载器。
双亲委派模型的工作机制：
- 当一个类加载器收到加载请求时，首先将请求委派给父类加载器加载；
- 只有当父类加载器无法加载该类时（在其搜索范围内找不到该类），才由当前类加载器自己加载。

四、类的卸载

类的卸载是指将类的元数据从方法区（元空间）中移除，同时销毁对应的 Class 对象。JVM 对类的卸载有严格限制：

只有自定义类加载器加载的类才可能被卸载（启动类加载器加载的核心类永远不会被卸载）；
当一个类的所有实例都被回收，且对应的类加载器也被回收时，该类才可能被卸载。

五、总结

JVM 类加载过程是一个分层、有序、安全的过程：

加载：把字节码读入内存，创建 Class 对象；
链接：验证合法性、准备静态变量、解析符号引用；
初始化：执行静态代码，完成静态变量的赋值。

这个过程保证了类在 JVM 中被正确加载和使用，同时通过双亲委派模型、验证阶段等机制保障了 JVM 的安全性和稳定性。