高级java每日一道面试题-2024年10月26日-JVM篇-JVM的类加载机制是什么?

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面试官: JVM的类加载机制是什么?

我回答:

JVM（Java虚拟机）的类加载机制是指将Java类的字节码文件（即.class文件）所包含的数据读入内存，并生成数据的访问入口的一种特殊机制。这个机制确保了Java程序能够在运行时动态地加载、链接和初始化类。以下是JVM类加载机制的详细解释：

一、类加载的过程

JVM中类的加载过程分为五个主要阶段：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）和初始化（Initialization）。

1. 加载（Loading）

• 概述：加载阶段是类加载过程的第一个阶段，主要任务是将字节码文件从各种来源（如文件系统、网络、数据库等）加载到内存中，并将其转换为Class对象。
• 过程：
  1. 读取字节码：类加载器通过类的全限定名找到对应的.class文件。
  2. 生成二进制数据：将读取的字节码转换为二进制数据流。
  3. 创建Class对象：将.class文件中的二进制数据读取到内存中，并将其转换为方法区的运行时数据结构。在堆中生成一个代表该类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

2. 验证（Verification）

• 概述：验证阶段确保加载的类字节码文件符合JVM规范，没有安全问题。
• 过程：
  1. 文件格式验证：验证字节码文件的格式是否正确，例如魔数、版本号等。
  2. 元数据验证：验证类的元数据信息，例如类的继承关系、方法和字段的描述符等。
  3. 字节码验证：验证字节码指令序列的有效性，确保不会破坏虚拟机的运行状态。
  4. 符号引用验证：验证类的符号引用是否可以被解析为直接引用。

3. 准备（Preparation）

• 概述：准备阶段为类的静态变量分配内存，并设置默认初始值（零值）。
• 过程：
  1. 分配内存：为类的静态变量（类变量，被static修饰的变量）分配内存，并设置其初始值（注意，这里设置的初始值是Java数据类型的默认值，而不是代码中显式赋予的值）。
  2. 设置默认值：将静态变量初始化为默认值，例如int类型的静态变量初始化为0，boolean类型的静态变量初始化为false等。

4. 解析（Resolution）

• 概述：解析阶段将类的符号引用转换为直接引用。符号引用是以一组符号来描述所引用的目标，而直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。
• 过程：
  1. 类或接口的解析：将类或接口的符号引用解析为直接引用。
  2. 字段解析：将字段的符号引用解析为直接引用。
  3. 类方法解析：将类方法的符号引用解析为直接引用。
  4. 接口方法解析：将接口方法的符号引用解析为直接引用。

5. 初始化（Initialization）

• 概述：初始化阶段是类加载过程的最后一个阶段，主要任务是执行类的初始化代码，即执行类的静态初始化块和静态变量的赋值操作。
• 过程：
  1. 执行静态初始化块：执行类中的静态初始化块。
  2. 执行静态变量赋值：执行类中的静态变量的赋值操作。
  3. 父类初始化：如果类有父类，先初始化父类。

二、类加载器

JVM预定义了三种类加载器：启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extensions ClassLoader）和应用程序类加载器（Application ClassLoader）。

1. 启动类加载器：

   • 负责加载$JAVA_HOME/lib目录中的jar包，或者被参数-Xbootclasspath指定的路径。
   • 由C++实现，不是ClassLoader子类。

2. 扩展类加载器：

   • 负责加载$JAVA_HOME/lib/ext目录或java.ext.dirs指定目录下的jar包。
   • 由Java代码实现，是ClassLoader子类，但父类加载器为null。

3. 应用程序类加载器：

   • 负责加载ClassPath路径的jar包，即应用程序jar包。
   • 由Java代码实现，父类加载器为ExtClassLoader。

此外，开发人员还可以自定义类加载器，通过继承ClassLoader类或者URLClassLoader，并重写其findClass(String name)方法来实现。

三、双亲委派机制

• 概述：双亲委派模型是一种类加载器之间的层次关系模型，确保类的加载具有唯一性和层次性。
• 过程：
  1. 委派请求：当一个类加载器收到类加载请求时，它首先将请求委托给父类加载器。
  2. 递归委派：父类加载器再将请求委托给它的父类加载器，直到最顶层的启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）。
  3. 加载类：如果父类加载器无法加载该类（即在它的搜索路径中没有找到该类），则子类加载器才会尝试自己加载该类。
  4. 加载成功：如果类加载成功，返回Class对象。

四、类加载的时机

类加载的时机并不是在程序编译时确定的，而是在程序运行时根据需要动态加载的。以下是一些常见的类加载时机：

1. 当使用new关键字创建对象时，会触发对应类的加载和初始化。
2. 当访问或设置一个类的静态字段时，会触发该类的加载和初始化（被final修饰、编译器优化时已经放入常量池的静态字段除外）。
3. 当调用一个类的静态方法时，会触发该类的加载和初始化。
4. 当使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时，会触发该类的加载和初始化。
5. 当初始化一个类时，如果其父类还未进行初始化，则会先触发其父类的初始化。

五、类的卸载

在类使用完成之后，如果满足以下条件，类就会被卸载：

1. 该类所有的实例都已经被回收，即Java堆中不存在该类的任何实例。
2. 加载该类的ClassLoader已经被回收。
3. 该类对应的java.lang.Class对象没有任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

如果以上三个条件全部满足，JVM就会在方法区垃圾回收的时候对类进行卸载。类的卸载过程实际上是在方法区中清空类信息，标志着Java类的整个生命周期的结束。

总结

综上所述，JVM的类加载机制是一个复杂而精细的过程，它确保了Java程序的动态性、安全性和稳定性。通过理解这个过程，我们可以更好地编写和维护Java应用程序。