深入理解Java虛擬機(jī)：JVM類加載機(jī)制
作者：老實(shí)巴交
來源：SegmentFault 思否社區(qū)
類加載
首先我們需要明確，JVM是動態(tài)加載class類的，而不是一次性加載程序中所有的class文件（延遲加載機(jī)制）。當(dāng)我們需要這個類的時候，比如說程序在運(yùn)行過程中classA需要調(diào)用另一個classB的方法，但classB沒有被加載，這時候就需要通過類加載機(jī)制動態(tài)加載classB到內(nèi)存中，只有當(dāng)classB被加載到內(nèi)存中，它的方法才能被classA調(diào)用。
類加載：通過加載，連接和初始化三個過程將class文件中的信息加載到JVM內(nèi)存中。
1、加載：
1、通過類的全限定性類名獲取該類的二進(jìn)制流；
怎么找呢？在系統(tǒng)類和指定的類路徑中尋找，如果是class文件的根目錄，就直接查看是否有對應(yīng)的子目錄及文件，如果是jar文件，則現(xiàn)在內(nèi)存中解壓該文件，再查看有無對應(yīng)的類。對于數(shù)組類來說，它并沒有對應(yīng)的字節(jié)流，而是由 Java 虛擬機(jī)直接生成的，但是數(shù)組類的元素類型是類加載器加載的。對于其他的類來說，Java 虛擬機(jī)則需要借助類加載器來完成查找字節(jié)流的過程。
2、將該二進(jìn)制流的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為方法區(qū)的運(yùn)行時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
3、在堆中為該類生成一個java.lang.Class對象，作為方法區(qū)這個類的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)訪問入口
而類加載器在這個過程中扮演了重要的角色，類加載器主要有兩個作用：
一：用來動態(tài)地加載class類，將class的字節(jié)碼形式轉(zhuǎn)換為內(nèi)存形式的class對象。
為什么是動態(tài)的呢？這里就涉及到JVM的延遲加載機(jī)制，JVM并不是一次性加載程序中的所有類的，而是按需加載，也就是當(dāng)一個程序中遇到不認(rèn)識的新類的時候，調(diào)用ClassLoader來加載這個類，加載完成后就會將Class對象存在ClassLoader中，下次就不需要加載了。一個寫好的Java程序可能有很多類，這些類呢，有很多方法，在程序運(yùn)行時候經(jīng)常需要從一個class中調(diào)用另一個class中的方法，但是系統(tǒng)啟動的時候不會一次性加載程序中的所有class文件，而是根據(jù)需要通過JVM的類加載機(jī)制來動態(tài)地加載某個class文件到內(nèi)存中，只有當(dāng)class文件被加載到內(nèi)存中，才能被其他class引用，所以classLoader是用來動態(tài)加載class文件到內(nèi)存中的。
比較形象的例子就是調(diào)用某個類的靜態(tài)方法，那么需要加載這個類（因?yàn)殪o態(tài)方法在類被創(chuàng)建出來之后就有了），但并不需要加載這個類的實(shí)例，而實(shí)例是在被程序調(diào)用的時候才會被加載。
二：它是類的命名空間，起到了類隔離的作用。在同一個ClassLoader里面加載的類名是唯一不可重復(fù)的，不同類加載器中的同名類是兩個不同的類。類的唯一性是由類加載器實(shí)例以及類的全名一同確定的。即便是同一串字節(jié)流，經(jīng)由不同的類加載器加載，也會得到兩個不同的類。在大型應(yīng)用中，我們往往借助這一特性，來運(yùn)行同一個類的不同版本。
類加載器：
啟動類加載器：在Java 8 時，主要加載java的基礎(chǔ)類，也就是JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar下的所有class，Java 9以后它負(fù)責(zé)加載啟動時的基礎(chǔ)模塊類（如 Java.base; java.manager;java.xml）。它是通過C++實(shí)現(xiàn)的，并不存在于JVM體系中，所以輸出是null。
在JVM啟動時，通過Bootstrap ClassLoader加載rt.jar，并初始化sun.misc.Launcher從而創(chuàng)建Extension ClassLoader和Application ClassLoader的實(shí)例。
擴(kuò)展類加載器 它主要加載\lib\ext或者java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定的路徑中的所有類庫；加載一些拓展的系統(tǒng)類，比如XML、加密、壓縮相關(guān)的功能類。
它由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實(shí)現(xiàn)；向上繼承自URLClassLoader, URLClassLoader向上繼承自SecueClassLoader,SecueClassLoade繼承自ClassLoader。
在java 9以后替換為平臺類加載器，加載平臺相關(guān)的模塊，比如比如java.scripting、java.compiler、 java.corba。
應(yīng)用類加載器 在Java 8 中主要加載classpath所有的jar包和類，Java 9 中用于加載應(yīng)用級別的模塊，入jdk.compiler; jdk.jartool; jdk.jshell。
它由sun.misc.Launcher$AppClassLoader實(shí)現(xiàn)。
如果應(yīng)用程序中沒有定義自己的加載器，則該加載器也就是默認(rèn)的類加載器。該加載器可以通過java.lang.ClassLoader.getSystemClassLoader獲取。
雙親委派機(jī)制
先自底向上判斷該類是否被加載過，若已經(jīng)被加載，直接返回
若未被加載，則自頂向上嘗試加載類，當(dāng)父類沒有所需的類，無法加載的時候，子加載器嘗試去完成加載，如果JVM內(nèi)置的類加載器無法加載，則有自定義加載器進(jìn)行加載
具體：當(dāng)一個ClassLoader實(shí)例需要加載某個類時，它會試圖親自搜索某個類之前，先把這個任務(wù)委托給它的父類加載器，這個過程是由上至下依次檢查的，首先由最頂層的類加載器Bootstrap ClassLoader試圖加載，如果沒加載到，則把任務(wù)轉(zhuǎn)交給Extension ClassLoader試圖加載，如果也沒加載到，則轉(zhuǎn)交給App ClassLoader 進(jìn)行加載，如果它也沒有加載得到的話，則返回給委托的發(fā)起者，由它到指定的文件系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)等URL中加載該類。如果它們都沒有加載到這個類時，則拋出ClassNotFoundException異常。否則將這個找到的類生成一個類的定義，并將它加載到內(nèi)存當(dāng)中，并進(jìn)行后面的步驟，最后返回這個類在內(nèi)存中的Class實(shí)例對象。
Parents Delegation Model：雙親委派模型，簡單可以理解為優(yōu)先級和共享兩個關(guān)鍵詞，為了防止Java核心API被替換，根加載器優(yōu)先加載，如果沒有，那么自頂向下加載。當(dāng)多個子 ClassLoader 共享同一個 parent 時，那么這個 parent 里面包含的類可以認(rèn)為是所有子 ClassLoader 共享的。這也是為什么 BootstrapClassLoader 被所有的類加載器視為祖先加載器，JVM 核心類庫自然應(yīng)該被共享。
2、連接
1驗(yàn)證，主要是為了確保class文件的字節(jié)流中包含的信息符合Java虛擬機(jī)規(guī)范，保證這些信息被當(dāng)作代碼的時候不會危害虛擬機(jī)自身的安全。
主要是格式驗(yàn)證，元數(shù)據(jù)驗(yàn)證（是否符合Java語言規(guī)），字節(jié)碼驗(yàn)證（確定程序語義合法，符合邏輯），符號驗(yàn)證（確保下一步的解析能正常執(zhí)行）。它很重要，但不是必須執(zhí)行的。
2準(zhǔn)備為靜態(tài)變量在方法區(qū)分配內(nèi)存，并設(shè)置初始默認(rèn)值。僅僅是類變量（即靜態(tài)變量），而不包括實(shí)例變量，實(shí)例變量是在對象實(shí)例化后隨著對象一塊兒分配到Java堆中。而類變量在JDK7之前存放在方法區(qū)中，而7以后隨著Class對象存放在Java堆中。（這里可能會考默認(rèn)值，int 0,long 0等等）。
3虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號引用替換成直接引用的過程。解析動作主要針對類或接口、字段、類方法、接口方法、方法類型、方法句柄和調(diào)用限定符 7 類符號引用進(jìn)行。符號引用就是一組符號來描述目標(biāo)，可以是任何字面量。直接引用就是直接指向目標(biāo)的指針、相對偏移量或一個間接定位到目標(biāo)的句柄。更多的問多態(tài)
注意：Java 虛擬機(jī)規(guī)范并沒有要求在鏈接過程中完成解析。它僅規(guī)定了：如果某些字節(jié)碼使用了符號引用，那么在執(zhí)行這些字節(jié)碼之前，需要完成對這些符號引用的解析。
3、初始化
是為標(biāo)記為常量值的字段賦值，以及執(zhí)行 < clinit > 方法的過程。
當(dāng)有繼承關(guān)系時，先初始化父類再初始化子類，所以創(chuàng)建一個子類時其實(shí)內(nèi)存中存在兩個對象實(shí)例。如果要初始化一個靜態(tài)字段，我們可以在聲明時直接賦值，也可以在靜態(tài)代碼塊中對其賦值。如果直接賦值的靜態(tài)字段被 final 所修飾，并且它的類型是基本類型或字符串時，那么該字段便會被 Java 編譯器標(biāo)記成常量值（ConstantValue），其初始化直接由 Java 虛擬機(jī)完成。除此之外的直接賦值操作，以及所有靜態(tài)代碼塊中的代碼，則會被 Java 編譯器置于同一方法中，并把它命名為 < clinit >。Java 虛擬機(jī)會通過加鎖來確保類的 < clinit > 方法僅被執(zhí)行一次，這個特性被用來實(shí)現(xiàn)單例的延遲初始化。
