JVM - 类加载过程 - HEER LIUの知识宇宙

在Java中，类的加载是一个非常重要的过程，其负责将类文件从磁盘读取到内存中，并对其进行解析和初始化。JVM类加载过程一共分为以下三个步骤：加载、连接、初始化。

graph LR;
    User[用户] --> Application(应用)
    
    subgraph JVM类加载流程 
    Application -- 执行Java代码 --> ClassLoader(类加载器) 
    
    ClassLoader -- 加载类 --> BootstrapClassLoader(启动类加载器) 
    ClassLoader -- 加载类 --> ExtensionClassLoader(扩展类加载器) 
    ClassLoader -- 加载类 --> AppClassLoader(应用类加载器) 
    
    subgraph 类初始化 
    AppClassLoader -- 类加载完成 --> Linking(连接阶段) 
    Linking -- 初始化类变量 --> Init(初始化阶段) 
    
    Init -- 执行static块 --> Done(初始化完成) 
    end
    
    Done -- 创建对象 --> Object(对象) 
    Object -- 调用方法 --> Application
    end

加载

加载是指将类文件从文件系统或者网络中读取到内存当中（类加载器的功劳），并为之创建一个Class对象。在JVM中，Class对象是用来描述类的，其中包含了类的成员变量、方法等信息。当我们使用new关键字创建对象时，JVM会根据Class对象来实例化该类的对象并返回它。

在类加载时，JVM采用了双亲委派模型，即将类的加载任务委派给父类加载器，如果父类加载器无法完成加载任务，才由子类加载器去尝试加载。这种机制可以保证类的唯一性，避免了类的重复加载。

连接

连接是指将已经读取到内存中的类文件进行校验、准备和解析的过程。

校验（Verification）：对类文件进行格式的校验，以确保它们符合JVM规范。如果校验失败，则会抛出ClassFormatError异常。
准备（Preparation）：为类变量分配内存，并设置默认值。在这个阶段，类变量并没有被初始化，只是分配了内存空间。
解析（Resolution）：将符号引用转化为直接引用的过程。在Java中，使用类名来访问一个类时，实际上是使用了符号引用。而在解析阶段，JVM会将其转化为直接引用，即具体的内存地址或偏移量。

初始化

初始化是指执行类构造器方法()的过程。该方法由编译器生成，主要负责将类变量赋初值，以及执行静态代码块等操作。

在执行()方法前，JVM会先执行父类的()方法，保证父类的静态成员变量和静态代码块也得到正确的初始化。

在实例化对象时，JVM会首先调用父类的构造器方法，然后再调用子类的构造器方法。在执行构造器方法前，JVM会先执行实例变量初始化和非静态代码块。

双亲委派

双亲委派模型是Java类加载机制的核心。该模型是指当一个类加载器收到类加载请求时，它首先将这个请求转发给它的父类加载器，如果父类加载器无法完成类加载任务，才由自己去尝试加载。如下图：

graph LR;
    User[用户] --> Application(应用)
    
    subgraph JVM类加载双亲委派流程 
    Application -- 加载类 --> AppClassLoader(应用类加载器) 
    
    AppClassLoader -- 向上委派 --> ExtensionClassLoader(扩展类加载器) 
    
    ExtensionClassLoader -- 向上委派 --> BootstrapClassLoader(启动类加载器) 

    BootstrapClassLoader -- 尝试加载类 --> Class(类) 
    
    Class -- 返回类实例 --> BootstrapClassLoader 
    
    BootstrapClassLoader -- 返回类实例 --> ExtensionClassLoader
    
    ExtensionClassLoader -- 返回类实例 --> AppClassLoader
    
    AppClassLoader -- 类加载完成 --> Linking(连接阶段) 
    
    Linking -- 初始化类变量 --> Done(初始化阶段) 
    
    Done -- 创建对象 --> Object(对象) 
    Object -- 调用方法 --> Application
    end

这种机制可以保证类的唯一性，避免了类的重复加载。例如，我们在JVM中使用String类时，它的加载过程如下所示：

如果应用程序类加载器在它的类路径中找到了String类，那么它直接返回该Class对象。
如果应用程序类加载器没有找到String类，那么它将请求转发给扩展类加载器。
如果扩展类加载器在它的类路径中找到了String类，那么它直接返回该Class对象。
如果扩展类加载器没有找到String类，那么它将请求转发给启动类加载器。
启动类加载器在JVM核心类库中找到了String类，并将其返回给扩展类加载器。
扩展类加载器将String类返回给应用程序类加载器。
应用程序类加载器将String类返回给JVM。

由于双亲委派模型的存在，当我们使用自定义类加载器时，可以避免类的重复加载。例如，我们如果想在同一个JVM中加载两个版本的com.example.MyClass类，则可以分别使用两个不同的类加载器来加载这两个版本的类，这样就不会出现类的冲突和覆盖问题。

总结

JVM的类加载过程是一个非常重要的过程，它负责将类文件从磁盘读取到内存中，并对其进行解析和初始化。在加载时，JVM采用了双亲委派模型，保证了类的唯一性和避免了类的重复加载。在实际开发中，我们可以通过自定义类加载器来实现特定的需求，例如在同一个JVM中加载多个版本的类。