【JVM】类的⽣命周期和类加载的过程

在Java中，类的生命周期和类加载过程是Java虚拟机（JVM）管理的核心部分。类的生命周期包括从类被加载到内存直到类被卸载的整个过程。类加载过程可以细分为多个阶段：加载、链接（包括验证、准备、解析）、初始化和使用。以下是详细的描述：

类的生命周期

1. 加载（Loading）

   • 定义：将类的字节码从不同的源（如文件、网络等）加载到内存中，并生成一个代表这个类的Class对象。
   • 过程：
     1. 通过类的全限定名获取定义此类的二进制字节流。
     2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
     3. 在内存中生成一个代表这个类的Class对象，作为方法区数据结构的访问入口。

2. 链接（Linking）

   • 定义：将类的二进制数据合并到JVM的运行时环境中。
   • 过程：
     1. 验证（Verification）：确保字节码的正确性和安全性。
        • 目的是保证加载的类符合JVM规范，不会危害虚拟机。
        • 验证的内容包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证等。
     2. 准备（Preparation）：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值。
        • 静态变量分配内存并初始化为零值，如int型的变量被初始化为0，boolean型的变量被初始化为false。
     3. 解析（Resolution）：将常量池中的符号引用转换为直接引用。
        • 将类、字段、方法的符号引用替换为直接引用，这一过程通常在类初始化后进行，但也可以在运行时的某个阶段进行。

3. 初始化（Initialization）

   • 定义：对类的静态变量赋初值，并执行静态代码块。
   • 过程：
     • 执行类构造器<clinit>()方法。此方法是由编译器自动收集类中的所有静态变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并产生的。
     • 若类有父类，则先初始化父类。

4. 使用（Usage）

   • 定义：类加载到内存后，可以被实例化、调用其静态方法和字段。
   • 过程：
     • 创建类的实例、调用类的静态字段和方法。

5. 卸载（Unloading）

   • 定义：类在内存中占用的资源被释放。
   • 过程：
     • 类卸载是由JVM的垃圾收集器完成的。当类的所有实例都被垃圾回收时，并且该类的ClassLoader实例也没有被引用，类将被卸载。

类加载器（Class Loader）

Java的类加载器负责动态地加载类。JVM提供了以下几种类型的类加载器：

1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

   • 加载：核心类库，如rt.jar，在JRE的lib目录下。
   • 实现：由C++实现，嵌入在JVM内部。

2. 扩展类加载器（Extension ClassLoader）

   • 加载：扩展类库，位于jre/lib/ext目录或由系统变量java.ext.dirs指定的路径下的类库。
   • 实现：由Java实现，类名为sun.misc.Launcher$ExtClassLoader。

3. 应用程序类加载器（Application ClassLoader）

   • 加载：应用程序的类路径（classpath）下的类库。
   • 实现：由Java实现，类名为sun.misc.Launcher$AppClassLoader。

4. 自定义类加载器（Custom ClassLoader）

   • 定义：用户可以自定义类加载器，通过继承java.lang.ClassLoader类来实现。
   • 用途：满足特定的类加载需求，例如从网络加载类、对类进行加密和解密等。

类加载过程

1. 加载（Loading）

   • 由类加载器读取类文件的二进制数据，并将其转换为方法区中的运行时数据结构。
   • 创建一个代表这个类的Class对象。

2. 链接（Linking）

   • 验证（Verification）：确保字节码文件的正确性和安全性。
   • 准备（Preparation）：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值。
   • 解析（Resolution）：将常量池中的符号引用转换为直接引用。

3. 初始化（Initialization）

   • 执行类构造器<clinit>()方法。
   • 按照类加载顺序，从父类到子类依次执行。

4. 使用（Usage）

   • 创建类的实例、访问静态变量和静态方法。

5. 卸载（Unloading）

   • 当类的所有实例被垃圾收集器回收，并且没有对该类的引用时，类卸载，释放内存。

类加载的双亲委派模型

双亲委派模型确保类加载器在加载类时，先委派给父类加载器尝试加载类。如果父类加载器无法加载，才由当前加载器尝试加载。这一机制确保核心类库不会被重复加载，也防止了核心类库被篡改。

过程：

1. 检查当前类加载器是否已加载此类。
2. 委派给父类加载器加载。
3. 父类加载器递归上述过程。
4. 如果父类加载器未能加载此类，由当前加载器加载。

示例代码

以下是一个简单的自定义类加载器示例：

import java.io.*;

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    private String classPath;

    public CustomClassLoader(String classPath) {
        this.classPath = classPath;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = loadClassData(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }

    private byte[] loadClassData(String className) {
        String fileName = classPath + File.separatorChar + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        try (InputStream inputStream = new FileInputStream(fileName);
             ByteArrayOutputStream byteStream = new ByteArrayOutputStream()) {
            int nextValue = 0;
            while ((nextValue = inputStream.read()) != -1) {
                byteStream.write(nextValue);
            }
            return byteStream.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        CustomClassLoader classLoader = new CustomClassLoader("path/to/classes");
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.example.MyClass");
        Object instance = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
        System.out.println(instance.getClass().getClassLoader());
    }
}

该自定义类加载器通过指定的路径加载类文件，展示了类加载的基本过程和原理。

总结

类的生命周期包括加载、链接、初始化、使用和卸载五个阶段。类加载过程则涉及到多个细节，包括验证、准备、解析和初始化。双亲委派模型确保了类加载的安全性和一致性。掌握这些知识可以更好地理解和优化Java应用程序的性能。