3. 类加载机制

类加载机制是指.class文件加载到JVM，并形成Class对象的机制，之后应用就可对Class对象进行实例化并调用，类加载机制可在运行时动态加载外部的类、远程网络下载过来的class文件等。除了该动态化的优点外，还可通过JVM的类加载机制来达到类隔离的效果，例如Application Server中通常要避免两个应用的类互相干扰。

JVM将类加载过程划分为三个步骤：装载、链接和初始化。装载和链接过程完成后，即将二进制的字节码转换为Class对象；初始化过程不是加载类时必须触发的，但最迟必须在初次主动使用对象前执行，其所作的动作为给静态变量赋值、调用()等。

加载的步骤如下所示：

装载(Load)->链接(Link)[校验(Verify)->准备(Prepare)->解析(Resolve)]->初始化(Initialize)

装载

装载过程负责找到二进制字节码并加载至JVM中，JVM通过类的全限定名（com.bluedavy. HelloWorld）及类加载器（ClassLoaderA实例）完成类的加载，同样，也采用以上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。类名的命名方式如下：

对于接口或非数组型的类，其名称即为类名，此种类型的类由所在的ClassLoader负责加载；
对于数组型的类，其名称为 “[“+（基本类型或L+引用类型类名;），例如byte[] bytes=new byte[512]，该bytes的类名为：[B; Object[] bjects=new Object[10]，objects的类名则为：[Ljava.lang.Object;，数组型类中的元素类型由所在的ClassLoader负责加载，但数组类则由JVM直接创建。

链接

链接过程负责对二进制字节码的格式进行校验、初始化装载类中的静态变量及解析类中调用的接口、类。

二进制字节码的格式校验遵循Java Class File Format（具体请参见JVM规范）规范，如果格式不符合，则抛出VerifyError；校验过程中如果碰到要引用到其他的接口和类，也会进行加载；如果加载过程失败，则会抛出NoClassDefFoundError。

在完成了校验后，JVM初始化类中的静态变量，并将其值赋为默认值。

最后对类中的所有属性、方法进行验证，以确保其要调用的属性、方法存在，以及具备相应的权限（例如public、private域权限等）。如果这个阶段失败，可能会造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等错误信息。

初始化

初始化过程即执行类中的静态初始化代码、构造器代码及静态属性的初始化，在以下四种情况下初始化过程会被触发执行：

调用了new；
反射调用了类中的方法；
子类调用了初始化；
JVM启动过程中指定的初始化类。

在执行初始化过程之前，首先必须完成链接过程中的校验和准备阶段，解析阶段则不强制。

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。这4种ClassLoader的关系如下所示：

Bootstrap Class Loader----java_home/jre/lib/rt.jar

Extention Class Loader ----java_home/jre/lib/ext/*.jar

System Class Loader    ----classpath

UserDefined Class Loader

Bootstrap ClassLoader

Sun JDK采用C++实现了此类，此类并非ClassLoader的子类，在代码中没有办法拿到这个对象，Sun JDK启动时会初始化此ClassLoader，并由ClassLoader完成$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有class文件的加载，jar中包含了Java规范定义的所有接口及实现。

Extension ClassLoader

JVM用此ClassLoader来加载扩展功能的一些jar包，例如Sun JDK中目录下有dns工具jar包等，在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为ExtClassLoader。

System ClassLoader

JVM用此ClassLoader来加载启动参数中指定的Classpath中的jar包及目录，在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为AppClassLoader.

例如：

public class ClassLoaderDemo {  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        System.out.println(ClassLoaderDemo.class.getClassLoader());  
        System.out.println(ClassLoaderDemo.class.getClassLoader().getParent());  
        System.out.println(ClassLoaderDemo.class.getClassLoader().getParent().getParent());  
    }
}

执行后显示的信息类似如下：

1
2
3

(sun.misc.Launcher$AppClassLoader)  
(sun.misc.Launcher$ExtClassLoader)  
null

按照上面的描述，就可看到典型的System ClassLoader、Extension ClassLoader，而由于Bootstrap ClassLoader并不是Java中的ClassLoader，因此Extension ClassLoader的parent为null

User-Defined ClassLoader

User-Defined ClassLoader是Java开发人员继承ClassLoader抽象类自行实现的ClassLoader，基于自定义的ClassLoader可用于加载非Classpath中（例如从网络上下载的jar或二进制）的jar及目录、还可以在加载之前对class文件做一些动作，例如解密等。

JVM的ClassLoader采用的是树形结构，除BootstrapClassLoader外，其他的ClassLoader都会有parent ClassLoader，User-Defined ClassLoader默认的parent ClassLoader为System ClassLoader。加载类时通常按照树形结构的原则来进行，也就是说，首先应从parent ClassLoader中尝试进行加载，当parent中无法加载时，应再尝试从System ClassLoader中进行加载，System ClassLoader同样遵循此原则，在找不到的情况下会自动从其parent ClassLoader中进行加载。值得注意的是，由于JVM是采用类名加Classloader的实例来作为Class加载的判断的，因此加载时不采用上面的顺序也是可以的，例如加载时不去parent ClassLoader中寻找，而只在当前的ClassLoader中寻找，会造成树上多个不同的ClassLoader中都加载了某Class，并且这些Class的实例对象都不相同，JVM会保证同一个ClassLoader实例对象中只能加载一次同样名称的Class，因此可借助此来实现类隔离的需求，但有时也会带来困惑，例如ClassCastException。因此在加载类的顺序上要根据需求合理把握，尽量保证从根到最下层的ClassLoader上的Class只加载了一次。

ClassLoader抽象类提供了几个关键的方法：

loadClass

此方法负责加载指定名字的类，ClassLoader的实现方法为先从已经加载的类中寻找，如果没有，则继续从Parent Class Loader中寻找；如果仍然没找到，则从System ClassLoader中寻找，最后再调用findClass方法寻找；如果要改变类的加载顺序，则可以覆盖此方法；如果加载顺序相同，则可以通过覆盖findClass来做特殊处理，比如解密、固定路径寻找等。当通过整个寻找类的过程仍然没有获取Class对象时，则抛出ClassNotFoundException

findLoadedClass

此方法负责从当前ClassLoader实例对象的缓存中寻找已知加载的类，调用的为native方法。

findClass

此方法直接抛出ClassNotFoundException，因此要通过覆盖loadClass或此方法来自定义方法加载类。

findSystemClass

此方法负责从System Class Loader中寻找类，如果没有找到，则继续从BootStrap Class Loader中寻找，如果仍未找到，则返回null

defineClass

此方法负责将二进制的字节码转化为Class对象，这个方法对于自定义加载类而言很重要，若二进制字节码的格式不符合JVM Class的规范，则抛出ClassFormatError，如果生成的类名和二进制字节码中的不同，则抛出NoClassDefError；若加载的class是受保护的，采用不同签名的或者类名是以Java开头的，则抛出SecurityException；若加载的class在此ClassLoader中已加载，则抛出LinkageError。

resolveClass

此方法负责完成Class对象的链接，如果连接过，则直接返回。

当调用Class.forName来获取一个对应名称的class对象时，JVM会从方法栈上寻找第一个ClassLoader，通常也就是执行Class.forName所在类的ClassLoader，并使用此ClassLoader来加载此名称的类。JVM不允许ClassLoader直接卸载加载了的类，只有JVM本身才有权卸载。当ClassLoader对象没有引用时，此ClassLoader对象加载的类才会被卸载。

根据上面的描述，在实际的应用中，JVM类加载过程会抛出这样那样的异常，这些情况下掌握各种异常产生的原因是最为重要的，下面来看类加载方面的常见异常。

ClassNotFoundException

原因：在当前的classLoader中加载类时未找到类文件。

对于System ClassLoader容易判断，只要不在Classpath中

对于User-Defined ClassLoader，要具体看这个ClassLoader加载类的过程

NoClassDefFoundError

原因：加载的类中引用到的另外的类不存在

例如：要加载A，A中调用了B，B不存在或当前ClassLoader无法加载B

LinkageError

原因：JVM保护机制，该类已经在ClassLoader加载过了，重复加载会导致该异常

ClassCastException