【JVM】Java类加载机制

【JVM】Java类加载机制

什么是类加载？

在 Java 的世界里，每一个类或接口在经过编译后，都会生成对应的 .class 字节码文件。

所谓类加载机制，就是 JVM 将这些 .class 文件中的二进制数据加载到内存中，并对其进行校验、解析、初始化等一系列操作。最终，每个类都会在方法区（或元空间）中保留一份结构化的类信息（元数据），并在Java 堆中创建一个 java.lang.Class 类型的对象，供程序运行时使用。

从 JVM 的角度看，一个类的生命周期包括以下 7 个阶段：

加载 → 验证 → 准备 → 解析 → 初始化 → 使用 → 卸载

其中，前五个阶段（加载、验证、准备、解析、初始化）统称为类的加载过程。其中，验证、准备和解析这三个阶段可以统称为连接。
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需要注意的是，类加载的五个阶段并不是严格按顺序线性执行的，而是相互交叉、动态混合的过程。

例如：

  • 部分验证操作（如文件格式验证）可能在加载 .class 文件的过程中就被触发。
  • 符号引用的解析可能被延迟到真正使用时才发生。

类加载的详细过程

1.加载

  • 任务： 查找并加载类的二进制数据（通常是 .class 文件，但来源可以多样）。

  • 过程：

    • 通过类的全限定名（如 java.lang.String 或 com.example.MyClass）获取定义此类的二进制字节流。这个字节流来源可以是文件系统（最常见的）、网络、ZIP/JAR包、运行时计算生成（动态代理）、数据库等等。

    类的全限定名就是类的完整名称，即：包名 + 类名（如 java.lang.String 或 com.example.MyClass）

    • 将这个字节流所代表的静态存储结构转换为方法区 的运行时数据结构。
    • 在堆（Heap） 内存中创建一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，作为方法区中这个类的各种数据的访问入口。常用的 .class 和 getClass() 返回的就是这个对象。
    public class CustomLoader extends ClassLoader {@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) {// 1. 获取字节流（可来自文件/网络/数据库等）byte[] bytes = loadClassBytes(name); // 2. 转换为方法区数据结构// 3. 创建Class对象return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);}
}

  • 关键点：

    • 由类加载器 完成。

    • 加载的最终产物是堆中的 Class 对象。

    • 类的加载是懒惰的，首次用到时才会加载：

      1. 使用了类.class
      2. 用类加载器的 loadClass 方法加载类
      3. 满足类的初始化条件（后文有详细介绍）

      参考：2-类加载_验证类加载是懒惰的_哔哩哔哩_bilibili

2.连接

2.1 验证
  • 任务： 确保加载的字节码信息符合 JVM 规范，是安全、无害的，不会危害虚拟机自身安全。
  • 内容：
    • 文件格式验证（魔数、版本号等）
    • 元数据验证（语义分析，如是否有父类、是否继承了final类、是否实现接口所有方法等）
    • 字节码验证（数据流和控制流分析，确保逻辑正确，如操作数栈类型匹配、跳转指令目标合理等）
    • 符号引用验证（检查常量池中的符号引用能否找到对应的类、字段、方法等）。
  • 重要性： 保护JVM安全，防止恶意代码或损坏的字节码文件导致JVM崩溃或执行危险操作。虽然耗点时间，但对系统稳定性至关重要。
2.2 准备
  • 任务： 为类的静态变量分配内存，并设置默认初始值。
  • 过程：
    • 在方法区中为这些静态变量分配内存空间。
    • 设置默认初始值：
      • 基本类型：int -> 0, long -> 0L, float -> 0.0f, double -> 0.0d, char -> '\u0000', boolean -> false。
      • 引用类型：null。
  • 关键点：
    • 这里分配内存并初始化的是类变量（static变量），不是实例变量。
    • 初始化的值是默认零值，不是代码中显式赋的值（如 public static int value = 123;，在准备阶段后 value 是 0，赋值 123 的操作发生在后面的初始化阶段）。
    • 如果静态变量是 final 修饰的基本类型或 String 常量，并且在编译时就能确定值（如 public static final int CONSTANT = 100;），那么这个值会直接在准备阶段被赋予（此时 CONSTANT 就是 100）。
2.3 解析
  • 任务： 将常量池内的符号引用 替换为直接引用。
  • 符号引用与直接引用：
    • 符号引用： 一组描述被引用目标（类、字段、方法）的符号。例如，java/lang/Object（类名）、toString:()Ljava/lang/String;（方法名和描述符）。它只是一个字面量引用，与内存布局无关。
    • 直接引用： 一个能直接定位到目标（类在方法区的地址、字段或方法在内存中的偏移量或句柄）的指针、偏移量或句柄。它是与JVM运行时内存布局相关的。
  • 过程： JVM 查找符号引用所指向的类、字段或方法的实际位置，并将常量池中的符号引用替换为指向该位置的直接引用。
  • 时机： 解析阶段可以在初始化之前完成，也可以在初始化之后完成（甚至延迟到第一次实际使用该符号引用时），这取决于 JVM 的实现策略（“及早解析”或“惰性解析”）。

3.初始化

  • 任务： 执行类的初始化代码，主要是执行类构造器 <clinit>() 方法。
  • <clinit>() 方法：
    • 由编译器自动收集类中所有类变量（static变量）的显式赋值动作和静态代码块（static {} 块） 中的语句合并生成。
    • 顺序：按源代码中出现的顺序执行。
    • 父类的 <clinit>() 优先于子类的执行。
    • 虚拟机会保证一个类的 <clinit>() 方法在多线程环境下被正确地加锁、同步（即线程安全）。如果一个线程正在执行它，其他线程会阻塞等待。
  • 触发时机（严格规定）： 类只有在以下 6 种情况之一发生时，才会立即进行初始化（加载和连接可能更早发生）：
    1. 创建类的实例 (new)。
    2. 访问类的静态变量（读取或赋值），除非该静态变量是 final 常量并且在编译期就能确定值（常量传播优化）。
    3. 调用类的静态方法 (static 方法)。
    4. 使用反射 (Class.forName("..."), getMethod 等) 对类进行反射调用。
    5. 初始化一个类的子类时，会触发其父类的初始化。
    6. JVM 启动时被标明为启动类（包含 main() 方法的那个类）。
  • 关键点：
    • 这是类加载过程的最后一步。
    • 此时才真正执行程序员的代码逻辑（静态赋值、静态块）。
    • 之前的“准备”阶段只是分配内存并赋零值，这里是赋程序员定义的值。

类加载器

在类加载的第一个阶段——加载中，JVM 需要根据类的全限定名，找到并读取其对应的字节码文件（.class 文件）。

这个查找和读取 .class 字节流的工作，正是由类加载器来完成的。

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JVM 中内置了三个重要的 ClassLoader：

  1. Bootstrap ClassLoader (启动类/引导类加载器)：
    • 用原生代码（C/C++）实现，是 JVM 自身的一部分。
    • 负责加载 JAVA_HOME/lib 目录下的核心 Java 库（如 rt.jar, charsets.jar）或 -Xbootclasspath 参数指定的路径中的类。
    • 是最高级别的加载器，没有父加载器。
    • null 表示： 在 Java 代码中试图获取它的引用时，返回 null。
  2. Extension ClassLoader (扩展类加载器)：
    • 由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现（Java）。
    • 负责加载 JAVA_HOME/lib/ext 目录下的扩展库，或 java.ext.dirs 系统变量指定的路径中的所有类库。
    • 其父加载器是 Bootstrap ClassLoader。
  3. Application ClassLoader (应用程序类加载器 / 系统类加载器)：
    • 由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现（Java）。
    • 负责加载用户类路径（ClassPath） 上所指定的类库。这是我们程序中默认的类加载器。
    • 其父加载器是 Extension ClassLoader。
    • 通过 ClassLoader.getSystemClassLoader() 可以获取到它。

除了这三种类加载器之外，用户还可以加入自定义的类加载器来进行拓展，以满足自己的特殊需求：

除了 BootstrapClassLoader 是 JVM 自身的一部分之外，其他所有的类加载器都是在 JVM 外部实现的，并且全都继承自 ClassLoader抽象类。如果我们要自定义自己的类加载器，需要继承 ClassLoader抽象类。

ClassLoader 类中有两个核心方法：

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

    加载指定名称的类。该方法实现了双亲委派模型：会先委托给父加载器尝试加载，如果父加载器无法完成，才会调用自身的 findClass() 方法进行加载。

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// 先检查当前类是否已经加载Class<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {try {if (parent != null) {// 先让父类加载器尝试加载c = parent.loadClass(name, false);} else {// 如果没有父加载器（即引导类加载器），使用 bootstrap 加载c = findBootstrapClassOrNull(name);}} catch (ClassNotFoundException e) {// 忽略异常，进入下一步由自己加载}if (c == null) {// 如果父加载器无法加载，再尝试使用当前类加载器加载c = findClass(name);}}if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}
}

  • protected Class<?> findClass(String name)
    根据类名查找类的定义并返回对应的 Class 对象。默认实现是抛出 ClassNotFoundException，需要我们在子类中重写。

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

如果我们不想打破双亲委派模型，就重写 ClassLoader 类中的 findClass() 方法即可，无法被父类加载器加载的类最终会通过这个方法被加载。但是，如果想打破双亲委派模型则需要重写 loadClass() 方法。

双亲委派模型简介

双亲委派模型是 Java 类加载机制的重要组成部分，它通过委派父加载器优先加载类的方式，实现了两个关键的安全目标：避免类的重复加载和防止核心 API 被篡改。

  • 工作流程： 当一个类加载器收到加载类的请求时：

    1. 它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成。
    2. 每一层的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器。
    3. 只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（在它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

  • 核心思想： “向上委派，向下加载”。

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  • 核心目的：

    • 保证基础类的唯一性和安全性： 防止用户自定义一个与核心库（如 java.lang.Object）同名的类被加载，从而覆盖核心库的行为（沙箱安全机制）。
    • 避免重复加载： 父加载器已经加载过的类，子加载器就不会再加载（在同一个命名空间内）。

内容参考

【JVM】Java类加载机制这块算是玩明白了_哔哩哔哩_bilibili

类加载器详解（重点）

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