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。

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1. 类加载的过程

Java 类的加载过程主要分为 五个阶段：

1. 加载（Loading）
2. 连接（Linking）
   • 验证（Verification）
   • 准备（Preparation）
   • 解析（Resolution）
3. 初始化（Initialization）
4. 使用（Using）
5. 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

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（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：

1. 验证（Verification）：确保 .class 文件格式正确，符合 JVM 规范，避免恶意字节码。
2. 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）。
3. 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
}

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（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。

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（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

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（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）。

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

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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：

1. 先委托给父类加载器。
2. 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()); // AppClassLoader
        System.out.println(String.class.getClassLoader()); // null (Bootstrap)
    }
}

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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
    }
}

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（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
    }
}

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总结

1. 类加载分为：加载、连接（验证、准备、解析）、初始化、使用、卸载。
2. JVM 采用双亲委派机制，确保安全性和避免重复加载。
3. 主动引用会触发类加载，被动引用不会。

JVM 类加载机制是 Java 运行时的核心之一，理解它有助于优化内存管理和类加载行为。