深入理解Java虚拟机：JVM类加载机制

作者：老实巴交

来源：SegmentFault 思否社区

类加载

首先我们需要明确，JVM是动态加载class类的，而不是一次性加载程序中所有的class文件（延迟加载机制）。当我们需要这个类的时候，比如说程序在运行过程中classA需要调用另一个classB的方法，但classB没有被加载，这时候就需要通过类加载机制动态加载classB到内存中，只有当classB被加载到内存中，它的方法才能被classA调用。

类加载：通过加载，连接和初始化三个过程将class文件中的信息加载到JVM内存中。

1、加载：

1、通过类的全限定性类名获取该类的二进制流；

怎么找呢？在系统类和指定的类路径中寻找，如果是class文件的根目录，就直接查看是否有对应的子目录及文件，如果是jar文件，则现在内存中解压该文件，再查看有无对应的类。对于数组类来说，它并没有对应的字节流，而是由 Java 虚拟机直接生成的，但是数组类的元素类型是类加载器加载的。对于其他的类来说，Java 虚拟机则需要借助类加载器来完成查找字节流的过程。

2、将该二进制流的静态存储结构转为方法区的运行时数据结构；

3、在堆中为该类生成一个java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据结构访问入口

而类加载器在这个过程中扮演了重要的角色，类加载器主要有两个作用：

一：用来动态地加载class类，将class的字节码形式转换为内存形式的class对象。

为什么是动态的呢？这里就涉及到JVM的延迟加载机制，JVM并不是一次性加载程序中的所有类的，而是按需加载，也就是当一个程序中遇到不认识的新类的时候，调用ClassLoader来加载这个类，加载完成后就会将Class对象存在ClassLoader中，下次就不需要加载了。一个写好的Java程序可能有很多类，这些类呢，有很多方法，在程序运行时候经常需要从一个class中调用另一个class中的方法，但是系统启动的时候不会一次性加载程序中的所有class文件，而是根据需要通过JVM的类加载机制来动态地加载某个class文件到内存中，只有当class文件被加载到内存中，才能被其他class引用，所以classLoader是用来动态加载class文件到内存中的。

比较形象的例子就是调用某个类的静态方法，那么需要加载这个类（因为静态方法在类被创建出来之后就有了），但并不需要加载这个类的实例，而实例是在被程序调用的时候才会被加载。

二：它是类的命名空间，起到了类隔离的作用。在同一个ClassLoader里面加载的类名是唯一不可重复的，不同类加载器中的同名类是两个不同的类。类的唯一性是由类加载器实例以及类的全名一同确定的。即便是同一串字节流，经由不同的类加载器加载，也会得到两个不同的类。在大型应用中，我们往往借助这一特性，来运行同一个类的不同版本。

类加载器：

启动类加载器：在Java 8 时，主要加载java的基础类，也就是JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar下的所有class，Java 9以后它负责加载启动时的基础模块类（如 Java.base; java.manager;java.xml）。它是通过C++实现的，并不存在于JVM体系中，所以输出是null。

在JVM启动时，通过Bootstrap ClassLoader加载rt.jar，并初始化sun.misc.Launcher从而创建Extension ClassLoader和Application ClassLoader的实例。

扩展类加载器 它主要加载\lib\ext或者java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库；加载一些拓展的系统类，比如XML、加密、压缩相关的功能类。

它由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现；向上继承自URLClassLoader, URLClassLoader向上继承自SecueClassLoader,SecueClassLoade继承自ClassLoader。

在java 9以后替换为平台类加载器，加载平台相关的模块，比如比如java.scripting、java.compiler、 java.corba。

应用类加载器 在Java 8 中主要加载classpath所有的jar包和类，Java 9 中用于加载应用级别的模块，入jdk.compiler; jdk.jartool; jdk.jshell。

它由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。

如果应用程序中没有定义自己的加载器，则该加载器也就是默认的类加载器。该加载器可以通过java.lang.ClassLoader.getSystemClassLoader获取。

双亲委派机制

先自底向上判断该类是否被加载过，若已经被加载，直接返回

若未被加载，则自顶向上尝试加载类，当父类没有所需的类，无法加载的时候，子加载器尝试去完成加载，如果JVM内置的类加载器无法加载，则有自定义加载器进行加载

具体：当一个ClassLoader实例需要加载某个类时，它会试图亲自搜索某个类之前，先把这个任务委托给它的父类加载器，这个过程是由上至下依次检查的，首先由最顶层的类加载器Bootstrap ClassLoader试图加载，如果没加载到，则把任务转交给Extension ClassLoader试图加载，如果也没加载到，则转交给App ClassLoader 进行加载，如果它也没有加载得到的话，则返回给委托的发起者，由它到指定的文件系统或网络等URL中加载该类。如果它们都没有加载到这个类时，则抛出ClassNotFoundException异常。否则将这个找到的类生成一个类的定义，并将它加载到内存当中，并进行后面的步骤，最后返回这个类在内存中的Class实例对象。

Parents Delegation Model：双亲委派模型，简单可以理解为优先级和共享两个关键词，为了防止Java核心API被替换，根加载器优先加载，如果没有，那么自顶向下加载。当多个子 ClassLoader 共享同一个 parent 时，那么这个 parent 里面包含的类可以认为是所有子 ClassLoader 共享的。这也是为什么 BootstrapClassLoader 被所有的类加载器视为祖先加载器，JVM 核心类库自然应该被共享。

2、连接

1验证，主要是为了确保class文件的字节流中包含的信息符合Java虚拟机规范，保证这些信息被当作代码的时候不会危害虚拟机自身的安全。

主要是格式验证，元数据验证（是否符合Java语言规），字节码验证（确定程序语义合法，符合逻辑），符号验证（确保下一步的解析能正常执行）。它很重要，但不是必须执行的。

2准备为静态变量在方法区分配内存，并设置初始默认值。仅仅是类变量（即静态变量），而不包括实例变量，实例变量是在对象实例化后随着对象一块儿分配到Java堆中。而类变量在JDK7之前存放在方法区中，而7以后随着Class对象存放在Java堆中。（这里可能会考默认值，int 0,long 0等等）。

3虚拟机将常量池内的符号引用替换成直接引用的过程。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用限定符 7 类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。更多的问多态

注意：Java 虚拟机规范并没有要求在链接过程中完成解析。它仅规定了：如果某些字节码使用了符号引用，那么在执行这些字节码之前，需要完成对这些符号引用的解析。

3、初始化

是为标记为常量值的字段赋值，以及执行 < clinit > 方法的过程。

当有继承关系时，先初始化父类再初始化子类，所以创建一个子类时其实内存中存在两个对象实例。如果要初始化一个静态字段，我们可以在声明时直接赋值，也可以在静态代码块中对其赋值。如果直接赋值的静态字段被 final 所修饰，并且它的类型是基本类型或字符串时，那么该字段便会被 Java 编译器标记成常量值（ConstantValue），其初始化直接由 Java 虚拟机完成。除此之外的直接赋值操作，以及所有静态代码块中的代码，则会被 Java 编译器置于同一方法中，并把它命名为 < clinit >。Java 虚拟机会通过加锁来确保类的 < clinit > 方法仅被执行一次，这个特性被用来实现单例的延迟初始化。