搞定JVM系列（五）：Java的类加载机制和类加载器

类加载机制

类加载分为三个步骤：加载、连接（验证、准备、解析）、初始化。

1、加载

加载主要是将.class文件（并不一定是.class。可以是ZIP包，网络中获取）中的二进制字节流读入到JVM中。

在加载阶段，JVM需要完成3件事：

• 通过类的全限定名获取该类的二进制字节流；
• 将字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；
• 在内存中生成一个该类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

2、连接

2.1 验证

验证阶段，确保加载进来的字节流符合JVM规范。将完成以下4个阶段的检验动作：

• 文件格式验证
• 元数据验证(是否符合Java语言规范)
• 字节码验证（确定程序语义合法，符合逻辑）
• 符号引用验证（确保下一步的解析能正常执行）

2.2 准备

准备阶段，为静态变量在方法区分配内存，并设置默认初始值。

2.3 解析

解析阶段，是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

3、初始化

初始化阶段是类加载过程的最后一步，主要是根据程序中的赋值语句主动为类变量赋值。

（注：当有父类且父类为初始化的时候，先去初始化父类；再进行子类初始化语句）

什么时候需要对类进行初始化？

• 使用new该类实例化对象的时候；
• 读取或设置类静态字段的时候（但被final修饰的字段，在编译器时就被放入常量池的静态字段除外static final）；
• 调用类静态方法的时候；
• 使用反射Class.forName(“xxxx”)对类进行反射调用的时候，该类需要初始化；
• 初始化一个类的时候，有父类，先初始化父类（注：1. 接口除外，父接口在调用的时候才会被初始化；2.子类引用父类静态字段，只会引发父类初始化）；
• 被标明为启动类的类（即包含main()方法的类）要初始化；
• 当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

以上情况称为对一个类进行主动引用，且有且只要以上几种情况需要对类进行初始化。

类加载器

类加载器实现的功能是：为加载阶段获取二进制字节流。

JVM提供了以下3种系统的类加载器：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：最顶层的类加载器，负责加载 JAVA_HOME\lib 目录中的，或通过-Xbootclasspath参数指定路径中的，且被虚拟机认可（按文件名识别，如rt.jar）的类。
• 扩展类加载器(Extension ClassLoader)：负责加载 JAVA_HOME\lib\ext 目录中的，或通过java.ext.dirs系统变量指定路径中的类库。
• 应用程序类加载器(Application ClassLoader)：也叫做系统类加载器，可以通过getSystemClassLoader()获取，负责加载用户路径（classpath）上的类库。如果没有自定义类加载器，一般这个就是默认的类加载器。

类加载器之间的层次关系如下，

类加载器之间的这种层次关系叫做双亲委派模型。

1、双亲委派模型

双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里的类加载器之间的父子关系一般不是以继承关系实现的，而是用组合实现的。

2、双亲委派模型的工作过程

如果一个类接受到类加载请求，他自己不会去加载这个请求，而是将这个类加载请求委派给父类加载器，这样一层一层传送，直到到达启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）。

只有当父类加载器无法加载这个请求时，子加载器才会尝试自己去加载。

3、双亲委派模型的代码实现

双亲委派模型的代码实现集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法当中。

• 首先检查类是否被加载，没有则调用父类加载器的loadClass()方法；
• 若父类加载器为空，则默认使用启动类加载器作为父加载器；
• 若父类加载失败，抛出ClassNotFoundException 异常后，再调用自己的findClass() 方法。

4、双亲委派机制

关于类加载器，我们不得不说一下双亲委派机制。听着很高大上，其实很简单。比如A类的加载器是AppClassLoader(其实我们自己写的类的加载器都是AppClassLoader)，AppClassLoader不会自己去加载类，而会委ExtClassLoader进行加载，那么到了ExtClassLoader类加载器的时候，它也不会自己去加载，而是委托BootStrap类加载器进行加载，就这样一层一层往上委托，如果Bootstrap类加载器无法进行加载的话，再一层层往下走。

5、为何要双亲委派机制

为何要采用双亲委派机制呢？了解为何之前，我们先来说明一个知识点：判断两个类相同的前提是这两个类都是同一个加载器进行加载的，如果使用不同的类加载器进行加载同一个类，也会有不同的结果。

如果没有双亲委派机制，会出现什么样的结果呢？比如我们在rt.jar中随便找一个类，如java.util.HashMap,那么我们同样也可以写一个一样的类，也叫java.util.HashMap存放在我们自己的路径下(ClassPath).那样这两个相同的类采用的是不同的类加载器，系统中就会出现两个不同的HashMap类，这样引用程序就会出现一片混乱。