JVM 类加载机制

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于 2025-09-18 22:08:00 首次发布

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JVM 类加载机制概述

JVM 类加载机制是 Java 虚拟机将类文件（.class）加载到内存，并进行验证、准备、解析和初始化的过程。这一机制确保了类的正确性和安全性，同时支持动态加载和运行时绑定。

JVM 类加载器的种类

JVM 类加载器分为以下三种主要类型，它们共同构成类加载的层次结构：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

负责加载 Java 核心类库（如 rt.jar ,加载java.lang、java.util 等），位于 JAVA_HOME/lib 目录下的核心类。由 C++ 实现，是 JVM 的一部分，无法在 Java 代码中直接引用。

扩展类加载器（Extension ClassLoader）

继承自 java.lang.ClassLoader，负责加载 JAVA_HOME/lib/ext 目录或 java.ext.dirs 系统变量指定路径下的扩展类库。由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现。

应用程序类加载器（Application ClassLoader）

也称为系统类加载器（System ClassLoader），负责加载用户类路径（ClassPath）下的类。由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现，是默认的类加载器。

自定义类加载器

用户可通过继承 java.lang.ClassLoader 类实现自定义类加载器，用于特定场景（如热部署、模块化加载等）。需重写 findClass() 方法，而非 loadClass() 以避免破坏双亲委派模型。

示例：

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = loadClassData(name); // 从自定义路径加载字节码
        return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
    }

    private byte[] loadClassData(String className) {
        // 实现从文件或网络加载字节码的逻辑
    }
}

类加载的触发条件

类加载通常在以下情况下触发：

创建类的实例（new 操作）
访问类的静态变量或静态方法
使用反射（Class.forName()）
初始化子类时触发父类加载
JVM 启动时加载主类（包含 main 方法的类）

类加载的五个阶段

加载（Loading）

通过类的全限定名获取类的二进制字节流。
将字节流转换为方法区的运行时数据结构。
在堆中生成一个 java.lang.Class 对象，作为方法区数据的访问入口。

验证（Verification）

确保类文件的格式正确且符合 JVM 规范。
包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。
防止恶意代码或损坏的类文件影响 JVM 运行。

准备（Preparation）

为类的静态变量分配内存并设置初始值（零值）。
例如 static int a = 5 在准备阶段会被初始化为 0，而非 5。
如果静态变量是常量（final），则直接赋值为目标值。

解析（Resolution）

将符号引用替换为直接引用。
符号引用是类、方法或字段的描述信息，直接引用是具体的内存地址。
解析可以在初始化阶段之后进行（延迟解析）。

初始化（Initialization）

执行类的静态代码块（static {}）和静态变量的显式赋值。
是类加载的最后一步，JVM 确保多线程环境下初始化仅执行一次。

类加载器模型（ClassLoader）

双亲委派模型

类加载器在加载类时先委托父加载器尝试加载。
父加载器无法完成时，子加载器才会尝试加载。
避免重复加载，确保核心类库的安全性。

破坏双亲委派模型

某些场景需要打破双亲委派模型：

SPI（Service Provider Interface）：如 JDBC 驱动加载，核心类库（如 java.sql.Driver）由启动类加载器加载，但具体实现（如 MySQL 驱动）需由应用类加载器加载。
OSGi：模块化框架中，每个模块有独立的类加载器，支持动态加载和卸载。