类加载系统加载类时分为三个步骤，加载、链接、初始化，下面展开介绍。

类加载子系统结构图：

1 类加载器

JVM 使用类加载器加载 class 文件，类加载器可分为引导类加载器和自定义类加载器两种。

引导类加载器（Bootstrap ClassLoader），有时也被称作启动类加载器或者零类加载器（Null ClassLoader），是 Java 虚拟机中最基础的类加载器之一。它的主要职责是加载 Java 核心类库。

自定义类加载器需要继承自 ClassLoader 类，JDK 默认提供了一些。比较重要的有两个，拓展类加载器（ExtClassLoader） 和应用类加载器（AppClassLoader） 。

下面展开说说这三个加载器的作用、区别以及联系。先看一张图：

1.1 引导类加载器（BootStrapClassLoader）

特点：

1. 内部实现：引导类加载器并不是通过 Java 代码实现的，而是用 C++ 或者其他本地语言编写的，并且是 JVM 的一部分。
2. 加载路径：引导类加载器通常从 $JAVA_HOME/jre/lib/ 或类似的位置加载 Java 核心类。
3. 无父类加载器：引导类加载器没有显式的父类加载器，这是因为它的设计目的是为了加载 Java 最基础的类库，而这些类库是任何其他类加载器工作的前提。因此，它不需要依赖于任何其他类加载器。
4. 不可见性：引导类加载器并不是对所有 Java 应用程序都可见的，因为它是 JVM 的一部分，而不是标准的 Java 类加载器层次结构的一部分。
5. 优先级：引导类加载器通常是整个类加载过程的第一步，当 Java 应用程序启动时，它会首先加载必要的核心类库，然后才允许后续的类加载器（如扩展类加载器和应用类加载器）开始工作。

1.2 拓展类加载器（ExtClassLoader）

特点：

1. 内部实现：ExtClassLoader是在sun.misc.Launcher类里的静态内部类，继承自 ClassLoader 类，重写 loadClass() 方法。
2. 加载路径：ExtClassLoader 主要负责加载位于 $JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录下的扩展类库。
3. 委托模型：ExtClassLoader 遵循 Java 类加载器的委托模型。当它收到一个类加载请求时，它首先会尝试使用其父类加载器（即 Bootstrap ClassLoader）来加载这个类。如果父类加载器无法加载，则 ExtClassLoader 会尝试自己加载。
4. 优先级：ExtClassLoader 位于 BootstrapClassLoader 之后，但在 AppClassLoader之前。这意味着它继承了 Bootstrap ClassLoader 的特性，并且它加载的类对 Application ClassLoader 可见。

1.3 应用类加载器（AppClassLoader）

特点：

1. 内部实现：AppClassLoader也是在sun.misc.Launcher类里的静态内部类，继承自 ClassLoader 类，重写 loadClass() 方法。
2. 加载路径：AppClassLoader主要负责的目录是当前应用程序的 classpath 所指定的路径，也就是说我们自己写的类默认都是通过AppClassLoader加载的。我们在IDEA里运行代码时，仔细观察控制台可以发现第一行通过-classpath指定了当前应用程序的class文件的目录
3. 委托模型：AppClassLoader 遵循 Java 类加载器的委托模型。当它收到一个类加载请求时，它首先会尝试使用其父类加载器 ExtClassLoader来加载这个类。如果父类加载器无法加载，则 AppClassLoader 会尝试自己加载。
4. 优先级：AppClassLoader位于ExtClassLoader 之后。

除了这些特点外，AppClassLoader还有一些别的用途：

1. 加载第三方 Jar 包：当应用程序依赖于第三方库时，这些库通常会被打包成 JAR 包，并放置在类路径中。AppClassLoader 会加载这些 JAR 包中的类。
2. 动态加载类：在一些需要动态加载类的场景中，如 Spring Boot 应用程序，AppClassLoader 可以用于动态加载和卸载类。

1.4 双亲委派

原因一：前面我们介绍了引导类加载器、拓展类加载器、应用类加载器分别负责不同的路径下的class文件，但是并不是完全不相交的，比如-classpath除了指定当前应用程序的class文件目录外，也会指定$JAVA_HOME/jre/lib/目录下的某些 jar 包，所以要避免重复加载某些类。

原因二：如果我们的程序被黑客攻击了，比如黑客自己创建了一个java.lang的包，里面创建了一个名为String的类，把这个包和类植入我们正在运行的项目里，如果他的这个类被加载了，那我们项目里的String就会被篡改。

为了避免以上两种原因，我们要保证类只加载一次，并且保证越靠近 JVM 的类加载器优先级越高。这就是双亲委派干的事情！！！

原理：

引导类加载器、拓展类加载器、应用类加载器这三者之前有个关系，但又不是父子类关系，而是应用类加载器有个parent属性是拓展类加载器的对象。拓展类加载器的parent为空，所以会调用引导类加载器。我们观察ClassLoader的loaderClass()方法可以得出类的加载过程：

简单来说就是，

通过AppClassLoader加载class时会先用ExtClassLoader去加载这个类；

通过ExtClassLoader加载class时会先用BootStrapClassLoader去加载这个类；

好处：

• 避免类被重复加载。
• 防止JVM核心类被篡改。

2 链接

class 加载完后会进行链接，分为三步：验证、准备、解析。

2.1 验证

第一步是验证 class 文件是否正确，比如验证格式。

2.2 准备

对 static 修饰的属性赋予一个默认值，但这一步不会赋初始值。

举个例子，class 里定义了一个static int a = 1，准备阶段会把 a 赋值为 0，在初始化阶段 a 才会 = 1。

2.3 解析

将符号引用解析为直接引用。什么意思呢？

首先我们需要知道类被加载后是放到方法区的，每个类都是一个 Klass 对象（也可称为 Klass 结构）。

一般情况下我们都会在一个A类里使用到别的B类，使用方式是B类的全限定名，就只是一个字符串。但是JVM 实际在执行的时候需要从方法区中找到B类的 Klass 对象，解析的作用就是把这个名称字符串替换为实际的 Klass 对象内存地址。“符号引用”就是名称字符串、“直接引用”就是 Klass 对象内存地址。

3 初始化

初始化是类加载子系统的最后一个阶段，也是最为关键的阶段之一。下面详细介绍初始化阶段的内容及其重要性。

3.1 定义

初始化阶段是类加载过程中的最后一个阶段，它负责执行类构造器 <clinit> 方法，并初始化类的静态变量。

3.2 主要任务

初始化阶段的主要任务包括：

• 执行类构造器 <clinit> 方法：<clinit> 方法是一个特殊的静态构造器，它负责对类进行初始化。每个类都有一个 <clinit> 方法，该方法在类第一次被初始化时由 JVM 自动生成并执行。
• 初始化类变量：类中的静态变量（即类变量）在 <clinit> 方法中被赋值。

3.3 <clinit> 方法的特点

• 静态块：在类定义中，静态代码块会被编译器转化为 <clinit> 方法中的语句。
• 顺序执行：如果一个类有多个静态代码块，它们将按照在源代码中出现的顺序依次执行。
• 线程安全：<clinit> 方法是线程安全的，这意味着即使有多个线程同时初始化同一个类，也不会发生冲突。

3.4 示例代码

下面是一个简单的示例，展示类的初始化过程：

    public class InitializationExample {
        static {
            System.out.println("执行静态初始化块。");
        }

        static int staticVar = initializeStaticVar();

        private static int initializeStaticVar() {
            System.out.println("初始化静态变量。");
            return 10;
        }

        public static void main(String[] args) {
            System.out.println("静态变量初始化为: " + staticVar);
        }
    }

输出如下：

    执行静态初始化块。
    初始化静态变量。
    静态变量初始化为: 10

3.5 初始化时机

类的初始化通常在以下几种情况下触发：

• 首次创建类的实例：当第一次创建类的实例时，JVM 会初始化该类。
• 调用类的静态方法：当第一次调用类的静态方法时，JVM 会初始化该类。
• 引用类的静态字段：当第一次引用类的静态字段时，JVM 会初始化该类。
• 反射性引用：当通过 java.lang.Class 或 java.lang.reflect 包中的方法来引用类时，如果这些方法会导致类的初始化，那么 JVM 会初始化该类。
• 初始化子类时：当初始化一个类的子类时，如果父类还没有被初始化，那么 JVM 会首先初始化父类。

3.6 初始化顺序

类的初始化顺序遵循一定的规则：

• 如果类 A 引用了类 B 的静态字段或调用了类 B 的静态方法，那么类 B 必须先于类 A 被初始化。
• 如果类 A 继承自类 B，那么类 B 必须先于类 A 被初始化。