类加载过程是怎样的？

典型回答

一般来说，我们把Java的类加载过程分为三个主要步骤：加载、链接、初始化，具体行为在Java虚拟机规范里有非常详细的定义。

加载阶段（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，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。

链接阶段（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化入JVM运行的过程中。这里可进一步细分为三个步骤：

验证（Verification），这是虚拟机安全的重要保障，JVM需要核检字节信息是符合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的信息危害JVM的运行。验证阶段有可能触发更多class的加载。
准备（Preparation），创建类或接口中的静态变量，并初始化静态变量的初始值。但这里的“初始化”和下面的显式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。
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、方法和字段等各个方面的解析。

初始化（Initialization）：这一步真正去执行类初始化的代码逻辑，包括静态字段复制的动作，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。

知识扩展

1、Java 8之前的类加载器

Java 8之前，下面是三种Oracle JDK內建的类加载器。

启动类加载器（Bootstrap Class-Loader），加载jre/lib下面的jar文件，如rt.jar。它是个超级公民，即使是在开启了Security Manager的时候，JDK仍赋予了它加载的程序AllPermission。

对于做底层开发的工程师，有的时候可能不得不去试图修改JDK的基础代码，也就是通常意义上的核心类库，我们可以使用下面的命令行参数。

# 指定新的 bootclasspath，替换 java.* 包的内部实现
java -Xbootclasspath:<your_boot_classpath> your_App# a 意味着 append，将指定目录添加到 bootclasspath 后面
java -Xbootclasspath/a:<your_dir> your_App# p 意味着 prepend，将指定目录添加到 bootclasspath 前面
java -Xbootclasspath/p:<your_dir> your_App

用法其实很易懂，例如，使用最常见的“/p”，既然是前置，就有机会替换个别基础类的实现。

我们一般可以使用下面方法获取父加载器，但是在通常的JDK/JRE实现中，扩展类加载器getParent()都只能返回null。

public final ClassLoader getParent()

扩展类加载器（Extension or Ext Class-Loader），负责加载我们放到jre/lib/ext目录下面的jar包，这就是所谓的extension机制。该目录也可以通过设置“java.ext.dirs”来覆盖。

java -Djava.ext.dirs=your_ext_dir HelloWorld

应用类加载器（Application or App Class-Loader），就是加载我们最熟悉的classpath的内容。这里有一个容易混淆的概念，系统（System）类加载器，通常来说，其默认就是JDK內建的应用类加载器，但是它同样是可能修改的，比如：

java -Djava.system.class.loader=com.yourcorp.YourClassLoader HelloWorld

如果我们指定了这个参数，JDK內建的应用类加载器就会成为定制加载器的父亲，这种方式通常用在类似需要改变双亲委派模式的场景。

具体参考下图：

2、双亲委派模型

谈到类加载一个躲不开的话题就是“双亲委派模型”，简单说就是当类加载器（Class-Loader）试图加载某个类型的时候，除非父加载器找不到相应的类型，否则尽量将这个任务代理给当前加载器的父加载器去做。

参考上面这个结构图就很容易理解了。试想，如果不同类加载器都自己加载需要的某个类型，那么就会出现多次重复加载，完全是种浪费。

通常类加载器机制有三个基本特征：

双亲委派模型。但不是所有类加载都遵守这个模型，有的时候，启动类加载器所加载的类型，是可能要加载用户代码的。比如JDK内部的ServiceProvider/ServiceLoader机制，用户可以在标准API框架上，提供自己的实现，JDK也需要提供些默认的参考实现。例如，Java中JNDI、JDBC、文件系统、Cipher等很多方面，都是利用的这种机制，这种情况就不会用双亲委派模型去加载，而是利用所谓的上下文加载器。
可见性。子加载器可以访问父加载器加载的类型，但是反过来是不允许的。不然，因为缺少必要的隔离，我们就没有办法利用类加载器去实现容器的逻辑。
单一性。由于父加载器的类型对于子加载器是可见的，所以父加载器中加载过的类型，就不会在子加载器中重复加载。但是注意，类加载器“邻居”间，同一类型仍然可以被加载多次，因为互相不可见。

3、Java 9 Jigsaw简介

在Java 9中，Jigsaw项目为Java提供了原生的模块化支持（JPMS），內建的类加载器结构和机制发生了明显变化，Java SE的源代码被划分为一系列模型。

类加载器、类文件容器等都发生了非常大的变化。这里总结一下：

1）前面提到的-Xbootclasspath参数不可用了。API已经被划分到具体的模块，所以上文中，利用“-Xbootclasspath/p”替换某个Java核心类型代码，实际上变成了对相应的模块进行的修补：首先，确认要修改的类文件已经编译好，并按照对应模块（假设是java.base）结构存放，然后给模块打补丁：

java --patch-module java.base=your_patch yourApp

2）扩展类加载器被重命名为平台类加载器（Platform Class-Loader），而且extension机制则被移除。也就意味着，如果我们指定java.ext.dirs环境变量，或者lib/ext目录存在，JVM将直接返回错误！建议解决办法就是将其放入classpath里。

3）部分不需要AllPermission的Java基础模块，被降级到平台类加载器中，相应的权限也被更精细粒度地限制起来。

4）rt.jar和tool.jar同样是被移除了！JDK的核心类库以及相关资源，被存储在jimage文件中，并通过新的JRT文件系统访问，而不是原有的JAR文件系统。虽然看起来很惊人，但幸好对于大部分软件的兼容性影响，其实是有限的，更直接地影响是IDE等软件，通常只要升级到新版本就可以了。

5）增加了Layer的抽象，JVM启动默认创建BootLayer，开发者也可以自己去定义和实例化Layer，可以更加方便地实现类似容器一般的逻辑抽象。

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