JVM 类加载机制

JVM 类加载机制详解

JVM（Java Virtual Machine，Java 虚拟机）中的类加载机制（Class Loading Mechanism）是指 JVM 在运行时动态加载 .class 文件，并将其转换为 JVM 识别的类对象（Class Object），以便执行。Java 的类加载采用按需加载（Lazy Loading）和双亲委派模型（Parent Delegation Model），确保类的安全性和避免重复加载。

1. 类加载的过程

Java 类的加载过程主要分为 五个阶段：

加载（Loading）
连接（Linking）
- 验证（Verification）
- 准备（Preparation）
- 解析（Resolution）
初始化（Initialization）
使用（Using）
卸载（Unloading）

（1）加载（Loading）

在类加载阶段，JVM 通过类加载器（ClassLoader）从字节码文件（.class）或其他来源（如网络、JAR包等）读取二进制数据，转换成方法区（Method Area）中的类对象。

加载的来源：
- 本地 .class 文件
- Jar 包
- 网络（远程加载）
- 动态代理生成的类
- 其他自定义数据源
主要任务：
- 通过 类加载器 读取 .class 文件，生成二进制字节流。
- 将字节流解析为 JVM 内部数据结构，存放在方法区。
- 在堆区（Heap）中生成该类的 Class 对象，用于管理该类的元数据。

示例：手动触发类加载

Class<?> clazz = Class.forName("com.example.MyClass"); // 反射触发类加载

（2）连接（Linking）

连接是把已经加载的类转换成可以运行的状态，包括三步：

验证（Verification）：确保 .class 文件格式正确，符合 JVM 规范，避免恶意字节码。
准备（Preparation）：为类变量（static 变量）分配内存，并初始化默认值（不执行赋值操作）。
解析（Resolution）：把类中的符号引用转换为直接引用（指向方法区中具体的内存地址）。

示例：准备阶段

public class Example {static int x = 10; // x 的默认值在准备阶段是 0，初始化阶段才会变为 10
}

（3）初始化（Initialization）

类初始化是执行静态代码的过程：

执行 static 变量的赋值 和 静态代码块（static {}）。
初始化的顺序 按类的继承关系 从父类到子类 依次进行。

示例：类初始化
class Parent {static int a = 1;static { System.out.println("Parent 初始化"); }
}
class Child extends Parent {static int b = 2;static { System.out.println("Child 初始化"); }
}
public class Test {public static void main(String[] args) {System.out.println(Child.b);}
}
输出：
Parent 初始化
Child 初始化
2
说明：

Parent 先初始化，因为 Child 继承自 Parent。
只有 static 变量和 static 代码块才会在类初始化阶段执行。

（4）使用（Using）

类初始化完成后，就可以正常使用该类：

创建对象
调用静态方法
访问静态变量

（5）卸载（Unloading）

类在以下情况下会被卸载：

类的所有实例都被 GC
ClassLoader 被 GC
JVM 关闭

但是，JVM 不会卸载 Bootstrap ClassLoader 加载的类（即 rt.jar 内的核心类）。

2. Java 类加载器（ClassLoader）

类加载器负责将 .class 文件加载到 JVM。JVM 主要有三种类加载器：

类加载器	作用	负责加载的类
Bootstrap ClassLoader	启动类加载器	Java 核心类库（`rt.jar`）
Extension ClassLoader	扩展类加载器	`ext` 目录下的 JAR
Application ClassLoader	应用类加载器	`classpath` 下的类

示例：查看类加载器

System.out.println(String.class.getClassLoader()); // null (Bootstrap 加载)
System.out.println(Test.class.getClassLoader());   // AppClassLoader

此外，Java 支持 自定义类加载器：

示例：自定义 ClassLoader

class MyClassLoader extends ClassLoader {@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {byte[] bytes = loadClassData(name); // 自定义加载逻辑return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);}
}

3. 双亲委派机制（Parent Delegation Model）

工作原理

当一个 ClassLoader 需要加载类时，它不会直接加载，而是：

先委托给父类加载器。
父类加载失败（即找不到类）时，才会由子类加载器尝试加载。

作用

避免重复加载：防止 Java 核心类（如 java.lang.String）被自定义类覆盖。
提高安全性：防止恶意代码篡改 Java 标准库。

示例：双亲委派

public class Test {public static void main(String[] args) {System.out.println(Test.class.getClassLoader()); // AppClassLoaderSystem.out.println(String.class.getClassLoader()); // null (Bootstrap)}
}

4. 类的主动引用 & 被动引用

（1）主动引用（会触发类加载）

以下情况会触发类加载：

创建对象（new 关键字）
访问静态变量
调用静态方法
反射
子类初始化时，会先加载父类

示例：主动引用

class Parent {static { System.out.println("Parent 被加载"); }
}
public class Test {public static void main(String[] args) {Parent p = new Parent(); // 触发加载}
}

（2）被动引用（不会触发类加载）

通过子类访问父类的静态变量
访问 final 常量
Class.forName() 的 initialize=false 方式

示例：被动引用

class Parent {static { System.out.println("Parent 被加载"); }static int a = 10;
}
class Child extends Parent {}
public class Test {public static void main(String[] args) {System.out.println(Child.a); // 仅加载 Parent}
}