JVM的类加载过程详细说明

关于JVM的类加载过程，可以分为以下3个阶段：加载、连接和初始化。下面分别介绍：

加载

类加载的过程就是将类的.class文件中的二进制码读入到内存中，将其放在方法区（JDK 1.8之前称为永久代，JDK 1.8之后将永久代移除，改为元空间）内，然后在堆区构造一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。

类的加载阶段由类加载器完成，Java虚拟机中内置了三个类加载器：

• 引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载Java核心库，是用本地代码实现的，并不继承自java.lang.ClassLoader；
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载JDK的扩展库；
• 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载应用程序classpath目录下的类库，是最常用的ClassLoader。

在加载阶段，会执行以下过程：

1. 通过类的全限定名获取二进制字节流；
2. 将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该类的java.lang.Class对象，作为该类访问入口；
4. Class对象的数据结构中包含了来自编译时的所有常量池、字段、方法等信息。

连接

类的连接分为三个阶段：验证、准备、解析。

1. 验证

验证阶段是为了确保被加载的类满足Java虚拟机的约束条件，以确保程序的正确性和安全性。其中包括以下4个部分:

1. 文件格式验证：判断.class文件是否符合规范、格式是否正确等；
2. 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析，保证其符合Java语言规范；
3. 字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的；
4. 符号引用验证：验证类自身以外的信息是否能够被正确地链接。

2. 准备

准备阶段是为类的静态变量分配内存并设置初始值的阶段。变量所使用的内存都将在方法区中进行分配，初始值为默认值。

3. 解析

解析阶段是将常量池中的符号引用替换成直接引用的过程。

初始化

初始化阶段是类加载过程的最后一个阶段，是执行类构造器()方法的过程。该方法是由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的。当“()”方法执行时，标志着类的初始化过程完成。

示例1：

public class ClassLoaderDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("----------1---------------");
        new A();
        System.out.println("----------2---------------");
        new B();
    }
}
class A {
    public A() {
        System.out.println("A类的无参构造函数");
    }
    static {
        System.out.println("A类的静态代码块");
    }
    {
        System.out.println("A类的普通代码块");
    }
}
class B {
    static {
        System.out.println("B类的静态代码块");
    }
    public B() {
        System.out.println("B类的无参构造函数");
    }
}

输出结果：

----------1---------------
A类的静态代码块
A类的普通代码块
A类的无参构造函数
----------2---------------
B类的静态代码块
B类的无参构造函数

可以看出：在Java程序中，类的初始化阶段是在执行类的构造函数之前，先执行静态代码块和静态变量（即按照JVM根据类加载器链加载的顺序依次调用静态代码块和静态变量）。在当前示例中，先调用A类的静态代码块和普通代码块，然后再调用A类的无参构造方法，最后调用B类的静态代码块和无参构造方法。

示例2：

public class ClassLoaderDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderDemo.class.getClassLoader();
        Class<?> cls = classLoader.loadClass("java.lang.String");
        System.out.println(cls);
    }
}

输出结果：

Exception in thread "main" java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
    at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:662)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:761)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:642)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:429)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
    at ClassLoaderDemo.main(ClassLoaderDemo.java:6)

可以看出：在Java程序中，虽然类加载器可以将类动态地加载进来，但是Java虚拟机对Java核心库的保护措施非常严格，不允许通过自定义类加载器来加载Java核心库中的类，以保证Java虚拟机的安全性。因此，在当前示例中，由于尝试通过ClassLoader加载Java核心库中的String类，导致安全检查抛出异常。