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Java类加载过程

 

加载（Loading）

这是类加载过程的第一个阶段。在这个阶段，Java虚拟机（JVM）主要完成三件事：

通过类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。这可以从多种来源获取，如本地文件系统（.class文件）、网络（如从远程服务器下载字节码）、动态生成字节码（如使用字节码生成库）等。

将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区（在JDK 1.8之后，元数据存储在本地内存的元空间Metaspace中）中的运行时数据结构。

在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。这个 Class 对象在堆内存中，它就像是一面镜子，反射出类在方法区中的结构。

验证（Verification）

目的是确保被加载的类的字节码是合法的、符合Java虚拟机规范的。它主要包括四个验证阶段：

文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范，例如是否以魔数（ 0xCAFEBABE ）开头，主次版本号是否在当前JVM支持的范围内等。

元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其符合Java语言规范，例如检查这个类是否有父类（除了 java.lang.Object ），是否继承了不允许继承的类（如 final 类）等。

字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。例如检查操作数栈的数据类型是否和指令的操作码相匹配，跳转指令是否会跳转到方法体以外的字节码指令上。

符号引用验证：在解析阶段将符号引用转换为直接引用的时候，对符号引用进行验证。这个阶段主要是确保解析行为能正常执行，比如检查符号引用中的类、字段、方法是否确实存在等。

准备（Preparation）

这一阶段是为类的静态变量（被 static 修饰的变量）分配内存并设置默认初始值。例如对于 public static int value = 123; ，在准备阶段， value 会被初始化为0（基本数据类型的默认值），而不是123。这里需要注意的是，这一阶段不会执行任何Java代码，仅仅是为变量分配内存和设置默认值。

解析（Resolution）

这是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用是一种对目标的描述，例如一个类的全限定名、方法的名称和描述符等。直接引用是指向目标的指针、相对偏移量或者能间接定位到目标的句柄。例如，在调用一个方法时，需要将方法的符号引用解析为实际内存中的方法入口地址（直接引用）。这个过程主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法等符号引用进行解析。

初始化（Initialization）

这是类加载过程的最后一步，也是真正开始执行类中定义的Java程序代码的阶段。这个阶段主要是执行类构造器 <clinit>() 方法。 <clinit>() 方法是由编译器自动收集类中的所有类变量（静态变量）的赋值动作和静态语句块（ static{} ）中的语句合并产生的。JVM会保证这个方法在多线程环境下被正确地加锁和同步，即只有一个线程能够执行这个类的 <clinit>() 方法。

 

 

Java类加载机制

 

双亲委派模型（Parents Delegation Model）

工作原理：当一个类加载器收到类加载请求时，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。只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到对应的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。这种层次结构就像一个树状结构，最顶层是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），它主要负责加载 <JAVA_HOME>/lib 目录下的类库，如 rt.jar 等核心库；然后是扩展类加载器（Extension ClassLoader），负责加载 <JAVA_HOME>/lib/ext 目录下的类库；最后是应用程序类加载器（Application ClassLoader），负责加载用户类路径（ classpath ）下的类。

优势：

避免类的重复加载。因为父加载器已经加载过的类，子加载器就不需要再次加载了。

保证了Java核心库的安全性。例如，用户自定义了一个 java.lang.String 类，由于双亲委派模型，这个类不会被加载，因为启动类加载器会首先加载Java核心库中的 java.lang.String 类，这样就防止了用户恶意篡改核心类库的行为。

自定义类加载器（Custom Class Loader）

在某些情况下，我们可能需要自定义类加载器。例如，从加密的字节码文件中加载类，或者从非标准的位置（如数据库）加载类。要实现自定义类加载器，需要继承 java.lang.ClassLoader 类，并重写 findClass 方法。在 findClass 方法中，需要实现从自定义的源获取字节码数据，然后调用 defineClass 方法将字节码转换为 Class 对象。通过自定义类加载器，我们可以更加灵活地控制类的加载过程，满足特殊的应用需求。