Jvm 是如何加载 Java 类的

Java虚拟机（JVM）加载Java类的方式主要包括加载（Loading）、链接（Linking）、初始化（Initialization）这三个步骤。在加载阶段，JVM通过类加载器读取.class文件，将类的二进制数据载入内存，并为之创建一个java.lang.Class对象。之后，在链接阶段，分为验证、准备、和解析三个小步骤，确保加载的类满足JVM规范、为类变量分配内存，并将符号引用转换为直接引用。最后，初始化阶段负责执行类构造器()方法的过程，这个方法包含了类变量的赋值和静态代码块中的语句，完成类的初始化。

接下来详细描述加载阶段：在加载阶段，JVM负责从文件系统或者网络中寻找并读取.class文件，每个.class文件都被转换为JVM内部的数据结构（如Class对象），为接下来的执行阶段做准备。Java虚拟机采用不同的类加载器来完成这一任务，例如Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader、Application ClassLoader等，它们之间存在父子关系，形成了类加载器的层次结构。加载器采用双亲委派模型：优先请求父加载器加载，这样确保了Java核心库的类型安全以及Java程序稳定运行。

一、类加载的过程

加载（Loading）

当JVM需要使用某个类时，JVM会委托给加载该类的类加载器将其加载到内存中。类加载器首先会检查这个类是否已被加载过，若无，则会尝试从.class文件、网络资源或其他途径加载类的二进制数据，然后生成对应的Class对象。类加载器之间遵循父类委托机制以避免类被多次加载。

链接（Linking）

链接过程校验了.class文件数据的正确性，为静态域分配内存，并视视情况处理符号引用：

验证（Verification）

验证是为了确保被加载的类符合JVM规范，不会危害到虚拟机的安全性。通过文件格式、元数据、字节码检验等多项检查确保其正确性和合法性。

准备（Preparation）

准备阶段主要分配内存，并设置类变量的默认值，这个过程不涉及Java代码层面的初始化，仅仅是给类变量分配内存并设置默认初始值。

解析（Resolution）

解析阶段虚拟机会将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。这些引用可能来自不同的类库。

初始化（Initialization）

初始化是类加载过程的最后一个步骤，在这个步骤中，JVM会执行类构造器()方法。这个方法是由编译器自动收集类中的所有类变量赋值动作和静态代码块中的语句合并产生的。父类的()方法会先于子类执行，静态代码块只在类对象首次被加载时执行一次。

二、类加载器种类

Bootstrap ClassLoader

Bootstrap ClassLoader是最顶层的加载器负责加载Java的核心库（如rt.jar里面的类），是所有其它类加载器的父加载器。

Extension ClassLoader

Extension ClassLoader加载Java的扩展库，如JVM的EXT目录中JAR包内的类。

Application ClassLoader

Application ClassLoader负责加载用户路径（classpath）上的类库，也就是我们通常意义上说的“应用程序的类”。

用户定义类加载器

除了JVM提供的加载器之外，用户也可以通过继承java.lang.ClassLoader类的方式实现自定义的类加载器，以满足特殊要求，比如动态代理生成的类、热部署等。

三、类加载器的工作机制

双亲委派模型

双亲委派模型是一个类加载器在尝试加载类时，先让父类加载器尝试加载此类，如果父类加载器成功加载，那么就会使用父加载器的结果。这样做可以确保使用不同的加载器最终得到的都是同一个对象实例。

破坏双亲委派模型

有时候，Java开发者为了满足特定的业务需求，需要破坏双亲委派模型。例如，热替换、模块化等场景。在这种情况下，类加载器可能需要重写加载类的机制。

四、类加载的时机

类的加载时机受到JVM规范的严格规定，具体时机包括了使用new关键字实例化对象、读取或设置一个类的静态字段（未被final修饰）、调用一个类的静态方法、使用java.lang.reflect包的方法反射类的动态加载等场景。

每个类都被加载和初始化了一次，在这个过程中，JVM通过创建类的Class对象以及调用类的初始化方法，将其完整地构建在内存中。类加载的工作机制不仅保证了Java程序的动态性和灵活性，还提供了一种相对安全可靠的运行环境。通过理解这一过程，开发者可以更好地调试程序、提升系统性能以及编写出更高效、更安全的代码。

相关问答FAQs：

1. Jvm 如何加载 Java 类和执行字节码文件？

在运行 Java 程序时，Jvm 首先会解析 Java 类文件，并加载所有需要的类。加载过程包括将字节码文件加载到内存中，创建并初始化类的静态成员和类变量。然后，Jvm 会根据程序执行的逻辑，执行字节码指令，完成程序的执行。

2. Jvm 的类加载器是如何工作的？

Jvm 的类加载器负责将 Java 类文件加载到内存中。类加载器按照特定的顺序，分为不同的层次，每个层次有不同的职责。类加载器会先尝试从缓存中查找已经加载过的类，如果找不到，就会依次调用父类加载器进行加载。当所有父类加载器都找不到类时，当前类加载器才会尝试加载类。加载过程中，类加载器会检查类的字节码文件的有效性，并进行解析和验证。

3. Jvm 的类加载机制有哪些特点？

Jvm 的类加载机制具有以下特点：

• 动态加载： Jvm 可以在运行期间动态加载类，这使得一些在运行时确定的类可以延迟加载，从而减少了启动时间。
• 双亲委派模型： Jvm 的类加载器采用了双亲委派模型，按照一定的层次结构进行类加载。这样可以保证类的唯一性，并提高了类的安全性。
• 类的共享： Jvm 采用类的共享机制，可以在多个 Java 应用程序中重复使用已经加载的类。这样可以减少内存的占用和类加载的时间。
• 类的动态更新： Jvm 支持类的动态更新，即在运行时替换已加载的类。这样可以实现热部署和动态扩展，提高了系统的可维护性和灵活性。

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