JVM——Java 虚拟机是如何加载 Java 类的？

引入

在 Java 世界的底层运作中，类加载机制扮演着一个既神秘又关键的角色。它就像是一个精心设计的舞台幕后 machinery，确保了 Java 程序能够顺利运行。今天，我们就深入探索 Java 虚拟机（JVM）是如何加载 Java 类的。

类加载的背景

Java 语言的一个核心优势是它的平台无关性，而这一优势在很大程度上依赖于 Java 虚拟机（JVM）。JVM 作为一个抽象的规范，定义了一个可以执行 Java 字节码的环境。这个环境能够将 Java 字节码转换成特定平台上的机器码，从而实现了 “一次编写，到处运行” 的承诺。

Java 程序在运行时，需要将类文件（.class）加载到 JVM 的内存中。这个过程不仅涉及到类文件的读取，还包括对类的验证、准备、解析和初始化等一系列复杂的操作。这些步骤确保了类的正确性和安全性，并为类的执行做好准备。

类加载的步骤

类加载过程可以分为以下三个主要阶段：加载（Loading）、链接（Linking）和初始化（Initialization）。

每个阶段都有其独特的任务和目标。

（一）加载阶段

加载阶段是类加载过程的起始点。在这个阶段，JVM 需要将类的字节码从各种来源（如本地文件系统、网络等）读取进来，并将其转换为一个 Java 类的表示形式，存放在方法区（Method Area）中。

字节码来源：字节码可以来源于多个渠道，最常见的是由 Java 编译器生成的 class 文件。除此之外，字节码也可以在程序运行时动态生成，或者从网络中获取（例如在网页中运行的 Java Applet）。
类加载器：类加载器（ClassLoader）是加载阶段的核心组件。JVM 提供了多个内置的类加载器，包括启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）和应用类加载器（Application ClassLoader）。每个类加载器都有其特定的职责和加载路径。
- 启动类加载器：负责加载 Java 核心类库（如 java.lang.Object、java.lang.String 等），这些类位于 JRE 的 lib 目录下。
- 扩展类加载器：负责加载 Java 扩展类库，这些类通常位于 JRE 的 lib/ext 目录下。
- 应用类加载器：负责加载应用程序类路径（classpath）上的类文件。
双亲委派模型：类加载器采用了双亲委派模型（Parent Delegation Model）。当一个类加载器收到类加载请求时，它会先将请求委托给父类加载器。只有当父类加载器无法完成加载任务时，子类加载器才会尝试自己加载。这种模型保证了 Java 核心类库的类总是由启动类加载器加载，避免了类的多次加载和版本冲突问题。

（二）链接阶段

链接阶段的目标是将加载进来的类整合到 JVM 中，使其能够被虚拟机执行。

链接过程分为三个步骤：验证、准备和解析。

验证：验证阶段确保加载的类信息符合 JVM 的规范，并且不会危害虚拟机的安全。这一步骤对类的字节码进行严格检查，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。
- 文件格式验证：检查类文件的格式是否正确，例如魔数是否正确、版本号是否受支持等。
- 元数据验证：验证类的元数据（如字段、方法、访问修饰符等）是否符合语义规范。
- 字节码验证：分析字节码指令，确保它们不会执行非法操作，如非法跳转、类型转换错误等。
- 符号引用验证：确保解析动作能正确执行，即符号引用所指向的类、字段、方法确实存在。
准备：准备阶段为类的静态变量分配内存，并设置其初始值。这些初始值通常是该类型的默认值（如整数类型的默认值为 0，布尔类型的默认值为 false 等）。在这个阶段，JVM 还会为类的字段、方法等创建数据结构，以便后续的访问和操作。
解析：解析阶段将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。符号引用是以符号形式表示的类、接口、字段或方法的名称和描述符等信息。直接引用则是指向内存中具体位置的指针或句柄，可以直接访问目标数据。解析过程包括对类或接口、字段、方法和接口方法的解析。

（三）初始化阶段

初始化阶段是类加载过程的最后一步。在这个阶段，JVM 执行类构造器（<clinit>() 方法），对类的静态变量进行初始化操作。类的初始化是按照 Java 代码的语义进行的，包括对静态变量的显式赋值和静态代码块的执行。

类构造器 <clinit>()：类构造器是由编译器生成的特殊方法，它包含了类的静态变量初始化代码和静态代码块中的代码。JVM 会保证类构造器只被调用一次，并且在多线程环境下是线程安全的。
初始化触发条件：类的初始化并不是在类加载完成后立即执行的，而是需要满足一定的条件才会触发。以下是一些常见的触发类初始化的场景：
- 遇到 new 指令，创建类的实例。
- 调用类的静态方法。
- 访问类的静态字段。
- 子类的初始化会触发父类的初始化。
- 使用反射 API 对类进行反射调用。
- 初始化一个接口时，如果该接口含有 static-initializer 或 default 方法，则会触发接口的初始化。

类加载的实践示例

接下来，我们通过一个简单的示例来展示类加载的过程。我们将使用以下代码片段来演示类的加载和初始化。

public class Singleton {private Singleton() {}
private static class LazyHolder {static final Singleton INSTANCE = new Singleton();static {System.out.println("LazyHolder.<clinit>");}}
public static Object getInstance(boolean flag) {if (flag) {return new LazyHolder[2];}return LazyHolder.INSTANCE;}
public static void main(String[] args) {getInstance(true);System.out.println("----");getInstance(false);}
}

在上述代码中，我们定义了一个单例类 Singleton，并使用了懒汉式模式的 LazyHolder 内部类来实现延迟初始化。我们可以通过以下步骤来观察类加载和初始化的过程：

打印类加载日志：使用 JVM 参数 -verbose:class 来打印类加载的顺序。这个参数会告诉 JVM 在控制台输出每个类加载的信息。
```
java -verbose:class Singleton
```
观察类初始化的触发时机：在 LazyHolder 内部类的静态代码块中打印特定字样，以便观察类初始化的时机。
修改字节码并重新加载：使用 jdis 和 jasm 工具对类的字节码进行反汇编和重新汇编，观察修改后的类加载和初始化行为。

拓展

自定义类加载器

除了 JVM 提供的默认类加载器外，我们还可以创建自定义类加载器来实现特殊的类加载需求。自定义类加载器可以实现以下功能：

对类文件进行加密和解密，以保护代码不被轻易篡改或窃取。
动态生成类字节码，实现运行时类的动态加载。
加载来自网络或其他非传统来源的类文件。

自定义类加载器通过继承 java.lang.ClassLoader 类并重写 findClass 方法来实现自定义的类加载逻辑。

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {// 自定义类加载逻辑byte[] classData = loadClassData(name);if (classData == null) {throw new ClassNotFoundException();}return defineClass(name, classData, 0, classData.length);}
private byte[] loadClassData(String name) {// 实现类数据的加载逻辑// 例如从文件系统、网络或加密存储中读取类文件return null;}
}