JVM-类加载机制

类加载的生命周期

加载（Loding）

验证（Verification）

准备（Preparation）

解析（Resolution）

初始化（Initialization）

使用（Using）

卸载（Unloading）

加载阶段

这个是类加载的第一个个阶段，主要完成三件事

通过类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
将字节流所代表的静态存储结构转换为方法去运行时的数据结构
在内存中生成一个代表这个类的Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

示例代码：

java 复制代码

// 加载阶段的示例
public class LoadingPhaseExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 当执行这行代码时，String类开始进入加载阶段
        Class<?> stringClass = String.class; // 或者 Class.forName("java.lang.String")

        // 此时类被加载到JVM中，但尚未初始化
        System.out.println("类已加载: " + stringClass.getName());
    }
}

验证阶段

确保Class文件的字节流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

验证阶段的目的

确保安全性：验证字节码的正确和安全性
格式检查：确保类文件符合JVM规范
行为验证：防止恶意代码破坏JVM运行

主要步骤

1、文件格式验证

魔数检查：验证CAFEBABE魔数
版本号验证：检查类文件版本是否兼容
结构完整性：验证常量池、字典表、方法表等结构

2、元数据验证

类型检查：验证类、接口、字段、方法的语义正确性
继承关系验证：检查extends和implements关系是否合法
抽象类验证：确保抽象类和接口的实现符合规范

3、字节码验证

操作数栈一致性：验证指令操作数栈类型匹配
类型转换安全：检查类型转换是否合法
控制流分析：验证程序控制流图的正确性

4、符号引用验证

引用有效性：验证符号引用执行的目标是否存在
访问权限：检查对目标的访问权限是否合法
链接准备：为后续解析阶段做准备

验证的重要性

安全防护：防止恶意代码攻击JVM
稳定性保障：确保类加载过程的稳定性
规范遵循：强制类文件遵循JVM规范要求

准备阶段

为类变量分配内存并设置类变量初始值（零值），这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配

示例程序：

复制代码

public class PreparationPhase {
    public static int value = 123; // 在准备阶段value被赋值为0，在初始化阶段才被赋值为123
    public static final int CONSTANT = "final"; // 常量在准备阶段就被赋值
}

主要任务

静态变量内存分配：为类的静态变量分配内存空间
默认值初始化：给静态变量设置默认初始值

具体操作

1、内存分配

在方法区为类的静态变量分配内存
为类的静态字段预留存储空间

2、默认值设置

数值类型设置为0（如int为0，long为0L）
引用类型设置为null
boolean类型设置为false；

3、常量处理

final static 常量直接复制实际值
非final静态变量仅设默认值

注意事项

此阶段不执行static代码快
真正赋值操作在是初始化极端完成
仅为静态变量分配内存，示例变量在对象实例化时分配

解析阶段

主要任务

符号引用转换：将常量池中的符号引用转换为直接引用
内存地址确定：找到目标在内存中的实际地址

具体操作内容

1、类或接口的解析

解析类或接口的符号引用
验证访问权限和继承关系

2、字段解析

解析类中字段的符号引用
确定字段在类实例中的偏移量

3、方法解析

解析类中方法的符号引用
确定方法在方法表中的索引

4、接口方法解析

解析接口中方法的符号引用
处理接口方法的多态性

5、方法类型和方法句柄解析

解析方法类型信息
创建方法句柄引用

解析时机

静态解析：在类加载时完成的解析
动态解析：在运行时根据需要进行的解析

优化策略

延迟解析：按需解析，提高加载效率
缓存机制：缓存解析结果，避免重复解析

初始化阶段

主要内容

执行类构造器：运行类的<clinit>方法
静态变量复制：执行静态变量的实际赋值操作
静态代码块执行：执行类中的静态初始化块

具体操作

1、类构造器<clinit>方法执行

由编译器自动生成
包含静态变量复制语句和静态代码块
按照源码中的顺序执行

2、静态变量初始化

执行静态变量的实际赋值（区别于准备阶段的默认值）
按照声明顺序进行初始化

3、静态代码块执行

执行static{}代码快中的语句
只在类加载时执行一次

触发条件

首次主动使用：首次创建类实例、调用类的静态方法、访问静态字段等
子类触发：子类初始化的时候若父类未初始化则先初始化父类
反色调用：通过反射访问类时

执行特点

线程安全：JVM保证类初始化过程的线程安全
单次执行：每个类只会初始化一次
父类优先：父类初始化完成后才进行子类的初始化

注意事项

异常处理：初始化失败会抛ExceptionInIntializerError
懒加载：并非在类加载时立刻初始化，而是按需初始化
顺序性：静态变量、静态代码快按照源码顺序执行

类加载器的层次结构

应用程序类加载器（Application ClassLoader）

也成为系统类加载器，是java类加载器层次结构中最常用的加载器
职责范围：负责加载应用classpath路径下的类和资源

主要功能

加载用户类：加载开发者便携的业务逻辑类
加载第三方依赖：加载项目中引入的jar包
classpath管理：处理系统属性java.class.path指定路径

加载范围

项目类文件：应用程序源代码编译后的.class文件
依赖库：Maven/Gradle管理的笛梵放jar包
配置文件：位于classpath下的资源文件
Web组件：Servlet、Filter等Web相关类

工作原理

双亲委派：遵循双亲委派模式，先委托父类加载器尝试加载
最后加载：当只有Bootstrap和Extension类加载器都无法加载的时候才自己加载
缓存机制：已加载的类会被缓存，避免重复加载

特点优势

灵活性：可以根据classpath动态加载类
隔离性：与其他类加载器保持独立的命名空间
可扩展性：支持自定义类加载器扩展

使用场景

常规应用：标准java应用程序的主要类加载器
Web容器：作为Web应用的基础类加载器
插件系统：配合自定义类加载器实现插件热部署

扩展程序类加载器（Extension ClassLoader）

java类加载器层次结构中的中间层加载器
职责范围：负责加载java扩展类库，位于Bootstrap和Application类加载器之间

主要功能

扩展库加载：加载JRE安装目录下的lib/ext目录中的类库
系统属性支持：加载java.ext.dirs系统属性指定路径下的类库
标准扩展API：提供java标准扩展功能的类加载

加载范围

标准扩展库：如JCE(加密扩展)、JSSE（安全套接字扩展）等
第三方扩展：厂商提供的java标准扩展实现
扩展目录jar包：lib/ext目录下的所有jar文件

工作原理

双亲委派：遵循双亲委派模型，先委托Bootstrap类加载器尝试加载
中间位置：在类加载器层次中处于Bootstrap和Application之间
自动发现：自动扫描扩展目录并加载其中的类库

状态变化

java8以及之前，正常使用扩展机制
java9+、扩展机制已被废弃，被Platform Classloader替代
模块化系统：现代java版本使用模块系统管理平台模块

特点

权限级别：权限高于Application ClassLoader，低于Bootstrap ClassLoader
向后兼容：java8中仍然支持扩展目录机制
过渡性质：现代java版本中已逐步被模块化系统取代

启动程序类加载器（Bootstrap ClassLoader）

java类加载器层次结构中的根加载器
实现语言：有C/C++实现，而非java代码
核心职责：负责加载java核心类库，是类加载器的起点

主要功能

核心类库加载：加载java运行时核心类库（如rt.jar）
基础类型支持：加载基本数据类型、Object类、String类等基础类
系统类加载：加载java.lang.*、java.util.*等核心包中的类

加载范围

核心jar包：$JAVA_HOME/jre/lib/目录下的核心类库
关键类库：rt.jar、charsets.jar、resources.jar等
虚拟机类：JVM内部运行所需的基础类

工作特点

最高权限：拥有最高的类加载权限和信任级别
启动时加载：在JVM启动时最先加载
不可替代：无法被其他类加载器替代或绕过

安全机制

核心保护：确保java核心API的安全性
防止替换：防止用户自定义类替换核心类库
信任边界：作为Java平台信任的边界

与其他类加载器的关系

父级地位：是Extension和Application类加载器的父级
双亲委派：所有类加载请求都会先委托给Bootstrao加载器
层次顶端：位于类加载器承接结构的最顶端

类加载器的触发条件

主动触发

创建类实例：使用new关键字创建对象的时候
访问静态字段：读取或修改类的静态字段时（final修饰的常量除外）
调用类的静态方法时
反射调用：通过反色访问类的时候
子类初始化：初始化子类的时候检测父类没有初始化的话会先初始化父类

JVM启动触发

主类加载：JVM启动时加载指定的主类
系统类预加载：JVM启动时预加载核心系统类

接口特殊条件

接口实现：当接口实现类被初始化时
接口字段访问：访问接口中定义的字段的时候

动态加载

自定义加载：通过ClassLoader.loadClass（）方法主动加载
热部署：运行时动态更新类定义

被动使用情况

数组创建：创建某类的数组时不需要初始化该类
常量访问：访问final修饰的静态常量时不触发初始化