深入理解JVM之类加载

JVM将类加载过程分为三个步骤：加载、链接（验证、准备、解析）、初始化。

类加载流程

一，加载（loading）
有两种时机会触发类加载：
1，预加载。虚拟机启动时加载，加载的是JAVA_HOME/lib/rt.jar下的class，这里面都是一些常用的Class，如java.lang.String、java.util.List等。
2，运行时加载。虚拟机需要用到一个Class时，先去内存中查找是否被加载，如果没有就会按照类的全限定名来加载这个类。
JVM通过类的全限定名（com.sun.HelloWorld）及类加载器（ClassLoader实例）完成类的加载，相应地，也是用这两个元素来标识一个被加载了的类：类的全限定名 + ClassLoader实例ID。
加载的时候，通过class文件二进制流，将类信息、静态变量、字节码、常量这些.class文件中的内容放入方法区中。然后在内存中生成一个代表这个.class文件的java.lang.Class对象，在HotSpot虚拟机中，这个Class对象是放在方法区中的。

二，验证
确保class文件内容符合虚拟机的规范，比如验证“魔数”是否为0xCAFEBABE、Class文件编译版本号是否符合当前JVM等。JDK能向下兼容版本号，但不能向上兼容。即JDK1.6能运行在JDK1.5环境编译的class，但是反过来不行。如果格式不符则抛出VerifyError。
如果碰到要引用其它接口或类，也会进行加载，如果加载过程失败，则会抛出NoClassDefFoundError。

三，准备
为类变量在方法区分配内存并初始化。需要注意的是：这个阶段初始化的变量指的是不被final修饰的static变量，如”public static int i = 100;”，i在准备阶段过后是0而不是100，给i赋值为100的动作将在初始化阶段才进行；但是”public static final int i = 100;”就不一样了，在准备阶段，就会给i赋值为100。

四，解析
将常量池中的符号引用替换为直接引用，有哪些符号引用？
类和接口的全限定名
字段的名称和描述符
方法的名称和描述符

五，初始化
初始化过程即执行类中的静态初始化代码、构造代码及静态属性的初始化。虚拟机会保证类的初始化在多线程环境中被正确地加锁、同步。以下几种情况会触发初始化过程：
1，调用new
2，反射调用了类中的方法
3，子类调用了初始化
4，JVM启动过程中指定的初始化类
另外，有几种不会触发类初始化的情况：
1，子类引用从父类继承下来的静态字段，不会导致子类初始化（只会初始化父类）
2，通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化（new User[10]）
3，引用静态常亮（static final常量在编译阶段就已进入类的常量池）

四，类加载器
JVM的类加载通过ClassLoader及其子类来完成，分为Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader、System ClassLoader及User-Defined ClassLoader，除了Bootstrap外，剩下3个都是有父子层级关系的。
Bootstrap，此类不是ClassLoader的子类，代码中无法拿到这个对象，JDK启动时会初始化该ClassLoader，并由它加载$JAVA_HOME/jre/rt.jar中所有class的加载，这些class是java规范定义的所有接口及实现（java.lang, java.util等）。
Extension加载$JAVA_HOME/jre/ext/*.jar。
System加载启动参数中指定的Classpath中的jar，简言之，用户写的class会由它加载，Sun JDK中对应的实现类为AppClassLoader
User-Defined ClassLoader是开发人员自行实现的ClassLoader，可用于加载非classpath中的jar，如从网络上下载的jar或二进制。
之前说过，ClassLoader是有父子层级关系的，当加载class时，首先会去已加载的class中查找，如果有，直接返回，否则判断parentClassLoader是否存在，存在，调用parent . loadClass，不存在，调用findBootstrapClassOrNull。如果最后还是找不到，则调用findClass，该方法默认直接throw new ClassNotFoundException，需要ClassLoader子类自己覆盖。
但加载时也可以不采用以上顺序，可以直接在当前的ClassLoader中寻找，如Class.forName()，JVM会直接通过当前ClassLoader（也就是执行Class.forName所在类的ClassLoader，caller.getClassLoader0() native方法）加载Class。
由于JVM是采用类全限定名+ClassLoader实例来判断是否加载了某个类，所以，如果直接从当前classLoader直接加载的话，
会造成树上多个不同的classloader中都加载了某class（某处Class.forName，某处直接new），且这些Class的实例对象都不同。JVM会保证同一个ClassLoader实例中只能加载一次同样名称的Class，因此可以借助此来实现类隔离的需求。
但也会有问题，例如ClassCastException，因此在加载类时，尽量保证从根到最下层的ClassLoader上的Class只加载一次。
当ClassLoader在整个树中都没找到Class对象，则抛出ClassNotFoundException

类加载的常见异常：
1，ClassNotFoundException：ClassLoader加载类时未找到该类。
2，NoClassDefFoundError：在加载的类中引用到其它的类不存在，或者加载引用的类失败。
3，ClassCastException：两个对象的Class有不同的ClassLoader加载。