JVM 的类加载机制

JVM 的类加载机制是 Java 虚拟机动态加载、链接和初始化类的核心机制，它遵循严格的流程和规则，确保类的安全性和一致性。以下是详细说明：

类加载的流程

类加载分为 加载（Loading）→ 链接（Linking）→ 初始化（Initialization） 三个阶段：

1. 加载（Loading）
   • 任务：查找并加载类的二进制字节流（如 .class 文件）。
   • 结果：在内存中生成一个代表该类的 Class 对象（方法区中）。
   • 数据来源：可以是本地文件、网络、JAR 包等。
2. 链接（Linking）
   • 验证（Verification）：检查字节码是否符合 JVM 规范（如魔数、语法合法性）。
   • 准备（Preparation）：为类的静态变量分配内存并设置默认初始值（如 int 初始化为 0）。
   • 解析（Resolution）：将常量池中的符号引用（如类名、方法名）转换为直接引用（内存地址）。
3. 初始化（Initialization）
   • 执行类的 <clinit> 方法（编译器自动生成，包含静态变量赋值和静态代码块）。
   • 触发条件：首次主动使用类时（如 new 对象、访问静态变量/方法、反射调用等）。

双亲委派模型（Parent Delegation Model）

类加载器通过层级关系协作，确保核心类库的安全性，避免重复加载。

1. 层级结构
   • Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）：
     加载 JAVA_HOME/lib 下的核心类库（如 rt.jar），由 C++ 实现，无父类。
   • Extension ClassLoader（扩展类加载器）：
     加载 JAVA_HOME/lib/ext 目录的扩展类。
   • Application ClassLoader（应用类加载器）：
     加载用户类路径（classpath）下的类，默认的类加载器。
   • 自定义 ClassLoader：用户可继承 ClassLoader 实现自定义加载逻辑。
2. 工作流程

示例：加载用户自定义的 java.lang.String 类时，最终会由 Bootstrap ClassLoader 加载核心库的 String，避免用户篡改。

- 收到加载请求时，优先委派给父类加载器处理。  
- 若父类无法完成（在自己的搜索范围内找不到类），子类才会尝试加载。

3. 优势
   • 避免重复加载，确保类全局唯一。
   • 保护核心类库不被自定义类覆盖。

打破双亲委派的场景

某些场景需要绕过双亲委派机制：

1. SPI 服务加载（如 JDBC）
   Java 核心库（如 java.sql.Driver）由 Bootstrap ClassLoader 加载，而 SPI 实现类（如 MySQL 驱动）由应用类加载器加载。此时通过 线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader） 实现父类加载器请求子类加载器完成加载。
2. 热部署/热加载
   如 Tomcat 为每个 Web 应用提供独立的类加载器，支持应用级类隔离和重新加载。
3. 自定义类加载器
   用户可重写 loadClass() 方法改变委派逻辑。

类初始化的条件

类必须初始化的情况（主动引用）：

• new 实例对象、读写静态字段（非 final）、调用静态方法。
• 反射调用（如 Class.forName("类名")）。
• 初始化子类时，若父类未初始化，会触发父类初始化。

被动引用示例：

class Parent {
    static int value = 10; 
    static { System.out.println("Parent init!"); }
}
class Child extends Parent {
    static { System.out.println("Child init!"); }
}
// 访问 Parent.value 不会初始化 Child 类

类的卸载

• 条件：类的 Class 对象无引用，且对应的类加载器被回收。
• 实现：由 JVM 的垃圾回收机制完成，通常发生在方法区（元空间）内存不足时。

总结

JVM 类加载机制通过 双亲委派模型 和 分阶段加载 确保类的安全加载与隔离，同时支持灵活扩展（如 SPI、热部署）。理解其原理有助于解决类冲突、实现动态加载等高级场景。