JVM 加载 class 文件的原理机制

JVM（Java虚拟机）是一个可以执行Java字节码的虚拟机。它负责执行Java应用程序和应用程序的扩展，如Java库和框架。

1. JVM

1.1 类加载器

类加载器是JVM用来查找和加载.class文件到JVM中的组件。类加载器的主要职责是从指定的位置找到.class文件，然后将其读入到内存中，并生成对应的java.lang.Class对象。

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：用原生代码实现，负责加载JVM核心库中的.class文件，如rt.jar中的类。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：由Java实现，负责加载jre/lib/ext目录中的.class文件或由系统变量java.ext.dirs指定的目录中的.class文件。
• 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：由Java实现，负责加载用户类路径（classpath）中的.class文件。
• 用户自定义类加载器：可以由用户自己编写，继承自java.lang.ClassLoader，用于特殊目的的类加载。

1.2 魔数

.class文件的开头四个字节被称为魔数（Magic Number）。魔数是0xCAFEBABE，它是用来识别一个文件是否是.class文件。如果文件不是.class文件，或者魔数不匹配，JVM将无法执行该文件。

1.3 元空间

在JVM中，.class文件加载后，类信息被存储在方法区中，这部分内存区域被称为元空间（Metaspace）。元空间是方法区的一部分，用于存储类元数据，包括类的定义信息、静态变量、常量池等。

2. 类加载

2.1 类加载过程

类加载过程大致可以分为以下几个步骤

1. 加载（Loading）：找到.class文件，并将其读入内存，创建一个java.lang.Class对象。
2. 链接（Linking）：验证.class文件的正确性，准备类在JVM中运行所需的内存，并解析符号引用。
3. 初始化（Initialization）：执行类构造器方法<clinit>()，初始化类变量和静态初始化块。

2.2 双亲委派机制

双亲委派模型（Parent Delegation Model）是Java虚拟机（JVM）中类加载机制的核心设计之一。它定义了类加载器之间的加载顺序和委托规则，确保了类加载过程的一致性和安全性。

模型原理

在双亲委派模型中，类加载器分为层次结构，子类加载器会首先请求其父类加载器完成类的加载任务。这个过程遵循：

1. 当一个类加载器需要加载某个类时，它会首先请求其父类加载器加载该类。
2. 如果父类加载器能够成功加载该类，则直接返回这个类；如果父类加载器无法加载，则子类加载器会尝试自己加载该类。
3. 如果子类加载器也无法加载该类，则会抛出ClassNotFoundException异常。

这种委托关系的链条从下往上，一直到达启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），它是所有类加载器的顶层，负责加载JVM的核心库（如rt.jar中的类）。

模型优势

• 避免类的重复加载：由于类加载器之间的委托关系，同一类只会在父类加载器中加载一次，避免了重复加载同一个类，节省了资源。
• 保证类型安全：所有非启动类加载器都委托给启动类加载器加载核心库中的类，确保了这些类都是由可信的类加载器加载的，从而保证了类型安全。
• 防止核心API被篡改：核心库的类由启动类加载器加载，任何试图替换这些类的尝试都会被父类加载器拦截，从而保护了Java核心API不被篡改。

模型实现

双亲委派模型的实现依赖于Java的ClassLoader类及其子类。

public class ClassLoader {
    private ClassLoader parent;

    public ClassLoader(ClassLoader parent) {
        this.parent = parent;
    }

    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // 首先检查是否已经加载过该类
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            try {
                // 如果父类加载器不为空，则委托父类加载器
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name);
                } else {
                    // 如果父类加载器为空，则由Bootstrap ClassLoader加载
                    c = findBootstrapClass(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // 如果父类加载器加载失败，则由当前类加载器加载
                c = findClass(name);
            }
        }
        return c;
    }
    // ... 其他方法 ...
}

ClassLoader的loadClass方法首先尝试从缓存中查找已经加载的类，如果没有找到，则根据双亲委派模型委托给父类加载器加载。如果父类加载器也无法加载，则由当前类加载器负责加载。