Java的类加载机制

Java的类加载机制是指在Java程序运行时，将类文件加载到内存中的一系列步骤。Java的类加载机制遵循着“按需加载”的原则，也就是说，只有在需要用到某个类的时候，才会将这个类的相关信息加载到内存中。这种“按需加载”的设计使得Java程序具备了很好的灵活性和效率。

Java的类加载器主要分为三类：启动类加载器、扩展类加载器和应用程序类加载器。不同的类加载器负责加载不同的类，在Java的类加载机制中，具有不同级别的权限和不同的类搜索路径。下面我们来详细的介绍一下Java的类加载机制。

1.加载机制

Java的类加载机制主要分为三个过程：加载、连接和初始化。这三个过程的顺序是固定的，但是每个过程中的细节却是不同的。下面我们来详细介绍一下这三个过程。

1.1 加载

Java的类加载器会根据类的全限定名来加载类，当需要使用某个类时，如果该类还未被加载进内存，则需要执行一下步骤进行加载：

1.1.1. 通过类的全限定名找到对应的class文件，这里的class文件可以是.java文件经过编译之后生成的.class文件，也可以是通过其他方式生成的.class文件。

1.1.2 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。

1.1.3 创建由该类所属的java.lang.Class对象。该对象可以理解为，是对类的各种数据（如名称、访问修饰符、方法、成员变量等）的封装。

在加载类时，类加载器除了加载某个具体的类外，还需要将这个类所依赖的类也加入到内存中。这种依赖性是多层级的，也就是说，被依赖的类又可能会去依赖其他类，所以在加载一个类时，通常需要将其类图中所有的类都加载进来。

1.2 连接

Java虚拟机在加载类之后，需要对类进行连接，连接分为三个步骤：验证、准备和解析。

1.2.1. 验证

在这个步骤中，Java虚拟机主要确保所加载的类的正确性。验证过程主要包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证等。其目的在于确保目标.class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机运行时环境安全。

1.2.2. 准备

在准备阶段，Java虚拟机为类的静态变量分配内存，并设置变量的初始值。这里需要注意的是，在这个阶段中分配的内存并不包含那些用户自定义的初始化值，这些值在初始化阶段中进行设置。

1.2.3. 解析

Java在这个阶段中将常量池中的符号引用转为直接引用。通过符号引用，虚拟机得知该类访问其他的类或者类中的字段、方法等，但在类初始化时，需要缓存这些直接引用，以便于直接调用。

1.3 初始化

在类的准备阶段，Java虚拟机已经为静态变量分配了内存并设置了初值，但是这些静态变量”赋初值“的动作并没有完成。初始化阶段，会为静态变量设置用户自定义的初始化值，并执行类构造器<clinit>()方法，以执行初始化操作。

此时，类的准备和初始化阶段已经执行结束，Java的类加载机制总的过程也就结束了。

2.三种类加载器

Java类加载器为了适应Java程序的变化和复杂性，把不同的加载器负责不同的类，组成一个层次化的结构，这样就产生了三种不同级别的类加载器：启动类加载器、扩展类加载器和应用程序类加载器。

2.1 启动类加载器（BootstrapClassLoader）

启动类加载器是Java虚拟机中最基础的类加载器，它主要负责加载第一个被虚拟机执行的特殊类——java.lang.ClassLoader，该类在虚拟机启动时被加载，并提供了所有其它类加载器的基础，也就是说，所有的类加载器都直接或者间接地继承自这个类。

启动类加载器由C++语言实现，并不是Java语言实现。此外，在Java中也无法通过代码获取到该类加载器对象的引用。

2.2 扩展类加载器（ExtensionClassLoader）

扩展类加载器是用来加载Java系统扩展库的类加载器，负责加载$JAVA_HOME/lib/ext目录下的类库。扩展类加载器是在启动类加载器之后启动的，它也是纯Java代码实现的类加载器。

在Java中，扩展类加载器的父加载器是启动类加载器。这种方式保证了系统类库在运行时的稳定性和安全性。

2.3 应用程序类加载器（ApplicationClassLoader）

应用程序类加载器是应用程序中默认的类加载器。它主要负责加载应用程序classpath下的类，也就是我们平时自己写的Java代码所编译出来的.class文件。

应用程序类加载器是在扩展类加载器之后启动的，也是纯Java实现的类加载器。由于应用程序类加载器在Java中属于最高的加载器级别，所以我们通常也称之为“系统类加载器”。

应用程序类加载器的父类加载器是扩展类加载器，父类加载器负责加载Java系统库中的类。当应用程序类加载器无法加载一个类时，会向上委托其父类加载器进行加载，直到启动类加载器都找不到才会抛出ClassNotFoundException异常。

3.双亲委派机制

Java的类加载机制采用的是双亲委派模型，这是一种经典的类加载机制，也是Java的类加载机制得以广泛使用的重要原因之一。

所谓“双亲委派”，就是在类加载的过程中，一个类加载器在加载某个类时，会先委托给它的父类加载器进行加载。如果父类加载器无法加载成功，再由自己来加载该类。这样做的好处在于，保证Java虚拟机安全、稳定地运行，避免出现恶意代码污染系统。

在Java中，类加载器会一直询问其父加载器是否能够加载某个类，直到达到启动类加载器（即基类加载器）时，如果该类还没有被加载，此时才交由启动类加载器去加载这个类。因为启动类加载器是由Java虚拟机自身实现的，任何类都可以使用它来进行加载，所以启动类加载器就成为了Java虚拟机中的“保护神”。

双亲委派机制可以防止Java程序中出现重复的类，保障了上层的ClassLoader不会出现被下层的ClassLoader覆盖的情况，从而保护了Java程序的安全性。