JVM类加载机制

概述

Class文件由类装载器装载后，在JVM中将形成一份描述Class结构的元信息对象，通过该元信息对象可以获知Class的结构信息：如构造函数，属性和方法等，Java允许用户借由这个Class相关的元信息对象间接调用Class对象的功能。

虚拟机把描述类的数据从class文件加载到内存，并对数据进行校验，转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。

什么是类的加载？
类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError错误）如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。

1. 类加载器

类加载器自顶向下分为：
1.Bootstrap ClassLoader启动类（引导类）加载器： 默认会去加载JAVA_HOME/lib目录下的jar。使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部。它用来加载Java的核心库(String类……)（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resource.jar或sun.boot.class.path路径下的内容）,包括加载扩展类加载器和应用程序加载器。没有父加载器。出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类。
2.Extention ClassLoader扩展类加载器： 默认去加载JAVA_HOME/lib/ext目录下的jar。Java语言编写，由sun.misc.LauncherExtClassLoader实现。派生于ClassLoader类。从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JAVA_HOME/jre/lib/ext子目录（扩展目录）下加载类库。如果用户创建的JAR放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载。
3.Application ClassLoader系统类（应用程序类）加载器： 比如我们的web应用，会加载web程序中ClassPath下的类。java语言编写，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。它负责加载环境变量classpath或系统属性 java.class.path指定路径下的类库 对于用户自定义类来说：默认使用系统类加载器进行加载 通过 ClassLoader.getSystemClassLoader() 方法可以获取到该类加载器
4.User ClassLoader用户自定义类加载器： 由用户自己定义
只有被同一个类加载器实例加载并且文件名相同的class文件才被认为是同一个class

执行java程序时，会启动一个JVM进程，JVM在启动时会做一些初始化操作，比如获取系统参数等等，然后创建一个启动类加载器，用于加载JVM运行时必须的一些类到内存中，同时也会创建其他两个类加载器扩展类加载器和系统类加载器。

2.类加载过程

首先是加载过程（Loading），它是 Java 将字节码数据从不同的数据源读取到 JVM 中，并映射为 JVM 认可的数据结构（Class 对象），这里的数据源可能是各种各样的形态，比如 jar 文件，class 文件，甚至是网络数据源等；如果输入数据不是 ClassFile 的结构，则会抛出 ClassFormatError。加载阶段是用户参与的阶段，我们可以自定义类加载器，去实现自己的类加载过程。

第二阶段是连接（Linking），这是核心的步骤，简单说是把原始的类定义信息平滑地转入 JVM 运行的过程中。这里可进一步细分成三个步骤：

1，验证（Verification），这是虚拟机安全的重要保障，JVM 需要核验字节信息是符合 Java 虚拟机规范的，否则就被认为是 VerifyError，这样就防止了恶意信息或者不合规信息危害 JVM 的运行，验证阶段有可能触发更多 class 的加载。

2，准备（Pereparation），创建类或者接口中的静态变量，并初始化静态变量的初始值。但这里的“初始化”和下面的显示初始化阶段是有区别的，侧重点在于分配所需要的内存空间，不会去执行更进一步的 JVM 指令。

3，解析（Resolution），在这一步会将常量池中的符号引用（symbolic reference）替换为直接引用。在 Java 虚拟机规范中，详细介绍了类，接口，方法和字段等各方面的解析。

最后是初始化阶段（initialization），这一步真正去执行类初始化的代码逻辑，包括静态字段赋值的动作，以及执行类定义中的静态初始化块内的逻辑，编译器在编译阶段就会把这部分逻辑整理好，父类型的初始化逻辑优先于当前类型的逻辑。再来谈谈双亲委派模型，简单说就是当加载器（Class-Loader）试图加载某个类型的时候，除非父类加载器找不到相应类型，否则尽量将这个任务代理给当前加载器的父加载器去做。使用委派模型的目的是避免重复加载 Java 类型。
所谓类加载过程就是将我们的java原文件通过javac编译之后的产生的字节码文件加载到jvm内存，让jvm去执行字节码指令的过程。

3.双亲委派机制

Java的加载机制是双亲委派机制来加载类，为什么要使用这种方式？这个是为了保证【如果加载的类是一个系统类，那么会优先由Bootstrap ClassLoader 、Extension ClassLoader先去加载，而不是使用我们自定义的ClassLoader去加载，保证系统的安全！】

就是当前类加载器(以系统类加载器为例)在加载一个类时，委托给其双亲（注意这里的双亲指的是类加载器中parent属性指向的类加载器）先进行加载。双亲类加载器在加载时同样委托给自己的双亲，如此反复，直到某个类加载器没有双亲为止（通常情况下指双亲为null，也即为当前的双亲为扩展类加载器，其parent为启动类加载器），然后开始在依次在各自的类路径下寻找、加载class类。

如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行；如果父类加载器还存在器父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，最终到达顶层的引导类加载器；如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，如果父类无法完成加载，子类加载器才会去加载，这就是双亲委派模式。
优点：
1.可以避免类的重复加载
2.防止核心的API被篡改

总结

jvm中类加载的过程包括：加载，链接(验证，解析，准备)，初始化这五个阶段。
1.加载：是类加载的第一个阶段，他要完成三件事：
1通过一个类的全限定名来获取该类的二进制字节流
2.将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时结构。
3.内存中生存一个这个类的Class对象，作为方法区这个类的数据访问入口
2.验证：验证时链接的第一个步骤，这个阶段目的是确保Class文件的字节流包含的信息符合java虚拟机规范，保证这些信息不会危害虚拟机自身的安全。其中包括：文件格式检验，元数据检验，字节码检验，符号引用检验。cafe baby魔术
3.准备：该阶段是正式为类中定义的变量（静态变量 被static 修饰的变量）分配内存并设置类变量的初始值。public static int a = 1；那么准备阶段他会把 a赋值为0 而不是1；
4.解析：该阶段时java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。
5.初始化阶段：是类加载过程的最后一个阶段，初始化阶段就是执行类构造器clinit方法的过程比如说刚才的 a这个类变量就会复制为1。