Java大厂高频面试题：讲一讲虚拟机类加载机制？

虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。

类从被加载到虚拟机内存开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。

1.加载

"加载"是"类加载"这个过程的一个阶段，是 “类加载”过程中最先开始进行的操作，加载阶段，虚拟机需要完成三件事：

根据类的全限定名获取定义此类的二进制字节流；
将这个字节流代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构；
在方法区中为这个类生成一个java.lang.Class对象，作为方法区这个类的访问入口。

2.验证

验证是连接的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害到虚拟机自身的安全。虚拟机如果不检查输入的字节流，对其完全信任的话，很可能会因为载入了有害字节流而导致系统崩溃。

（1）文件格式验证

检查字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理：

是否以魔数0XCAFEBABE开头。
主、次版本号是否存在当前虚拟机处理范围内。
常量池的常量是否有不被支持的常量类型。
... ...

（2）元数据验证

对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求：

这个类是否有父类。
这个类的父类是否继承了不允许继承的类。
如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法。
... ...

（3）字节码验证

（4）符号引用验证

3.准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

4.解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

5.初始化

前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码。

虚拟机规范严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”：

（1）遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段的时候、调用一个类的静态方法的时候。

（2）使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

（3）当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类初始化。

（4）当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()方法的类），虚拟机会先初始化这个主类。

（5）当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发初始化。

6.类加载器双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来说，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现（HotSpot虚拟机中），是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都有Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自java.lang.ClassLoader。

从开发者的角度，类加载器可以细分为：

启动类加载器：负责将 Java_Home/lib下面的类库加载到内存中（比如rt.jar）。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节，开发者无法直接获取到启动类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作。

扩展类加载器：由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。它负责将Java_Home /lib/ext或者由系统变量 java.ext.dir指定位置中的类库加载到内存中。开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

应用程序类加载器：由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现的。它负责将系统类路径（CLASSPATH）中指定的类库加载到内存中。开发者可以直接使用这个类加载器。

除此之外，还有自定义的类加载器，它们之间的层次关系被称为类加载器的双亲委派模型。该模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应该有自己的父类加载器，而这种父子关系一般通过组合（Composition）关系来实现，而不是通过继承（Inheritance）。