Java 类加载机制详解
Java 类加载机制是 JVM（Java 虚拟机）的核心组成部分，负责将编译后的 .class 文件（字节码）从磁盘、网络或其他来源加载到内存中，并转换为可执行的 Java 类对象。整个过程遵循双亲委派模型，确保安全性和一致性。
1. 类加载的生命周期（Class Lifecycle）
一个类从加载到卸载，主要经历以下 5 个阶段：
- 加载（Loading）
- 查找并读取字节码文件（.class），通过类加载器将字节码加载到 JVM 的方法区（JDK 8 前是永久代，JDK 8+ 是元空间）。
- 生成对应的
java.lang.Class对象（在堆中）。
- 连接（Linking）
- 验证（Verification）：确保字节码的安全性（格式、指令合法性等），防止恶意代码。
- 准备（Preparation）：为类的静态变量分配内存，并设置默认初始值（int=0, boolean=false, 引用=null 等）。
- 解析（Resolution）：将常量池中的符号引用转换为直接引用（可选，延迟解析）。
- 初始化（Initialization）
- 执行类的静态初始化代码：静态变量赋值 + 静态代码块。
- 初始化发生在类首次主动使用时（如 new、访问静态成员、反射等）。
<clinit>方法（编译器自动生成）。
- 使用（Using）
- 卸载（Unloading）
- 当类不再被任何对象引用，且类加载器也被回收时，由 GC 卸载（自定义类加载器才可能被卸载）。
2. 类加载器（ClassLoader）
Java 默认使用三层类加载器（Bootstrap + Extension + Application），构成层次结构：
| 类加载器名称 | 加载路径 | 特点 |
|---|---|---|
| Bootstrap ClassLoader（启动类加载器） | $JAVA_HOME/lib 中的核心类库（如 rt.jar：Object、String、System 等） | 用 C++ 实现，无 Java 对象引用（null） |
| Extension ClassLoader（扩展类加载器） | $JAVA_HOME/lib/ext 目录下的 jar | 父是 Bootstrap |
| Application ClassLoader（应用类加载器，也称 System ClassLoader） | classpath 指定的路径（项目中的 classes、依赖 jar） | 父是 Extension，通常加载我们写的代码 |
此外还有：
- 自定义类加载器：继承
ClassLoader，重写findClass()方法。 - 线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）：用于打破双亲委派（如 SPI 机制：JDBC、Servlet 容器）。
3. 双亲委派模型（Parental Delegation Model）
这是 Java 类加载机制的核心设计，工作流程：
- 当一个类加载器收到类加载请求时，不会自己先尝试加载。
- 而是将请求向上委托给父类加载器（递归）。
- 只有当父类加载器无法找到该类时，当前类加载器才会尝试自己加载。
优点：
- 安全性：防止用户自定义恶意类覆盖核心类（如自定义 java.lang.String）。
- 避免重复加载：同一个类只会被加载一次（由最高层的加载器加载）。
- 命名空间隔离：不同类加载器加载的同名类是不同的（Class 对象不同）。
打破双亲委派的情况：
- 重写
loadClass()方法（不推荐）。 - SPI 机制（Service Provider Interface）：如 JDBC DriverManager 使用线程上下文类加载器加载驱动。
- 模块化系统（Java 9+ 的模块路径）。
- 应用容器（如 Tomcat、Spring Boot）实现隔离。
4. 类加载的触发时机（首次主动使用）
以下操作会触发类初始化（执行 <clinit>）：
new创建对象- 访问静态变量或静态方法（包括赋值）
- 反射：
Class.forName("com.test.MyClass")（默认初始化，可传 false 跳过） - 初始化子类时，先初始化父类
- 启动类（包含 main 方法的类）被加载时
- 使用
java.lang.invoke.MethodHandle的 REF_getStatic 等
不会触发初始化的情况：
- 访问常量（编译期常量，如 final static int A = 5）
- 子类访问父类的静态字段（只初始化父类）
Class.forName("xxx", false, loader)
5. 示例代码演示
class Parent {
static {
System.out.println("Parent static block");
}
public static int value = 100;
}
class Child extends Parent {
static {
System.out.println("Child static block");
}
}
public class Test {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(Child.value); // 输出：Parent static block → 100
// Child static block 不会执行，因为 Child 类未被主动使用
}
}6. 常见面试题
- 一个类会被加载几次？
正常情况下只加载一次（由某个类加载器加载）。 - 如何打破双亲委派？
自定义类加载器，重写loadClass()，或使用线程上下文类加载器。 - Tomcat 如何实现 Web 应用隔离？
每个 Web 应用使用独立的 WebappClassLoader，优先加载本应用的类，打破双亲委派。 - 为什么 String 类不能被自定义覆盖？
因为它由 Bootstrap ClassLoader 加载，用户自定义的 String 在不同命名空间。
总结
Java 类加载机制的核心是：
- 生命周期：加载 → 连接（验证+准备+解析） → 初始化 → 使用 → 卸载
- 双亲委派模型：安全 + 避免重复加载
- 类加载器层次：Bootstrap → Extension → Application → 自定义
理解类加载机制对深入掌握 JVM、Spring 容器、热部署、插件化开发至关重要。
