请介绍类加载过程，什么是双亲委派模型？

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回答结构建议

1. 总览：一句话概括类加载过程。
2. 分步详解：详细解释类加载过程的三个阶段（加载、链接、初始化）。
3. 引入双亲委派模型：解释什么是双亲委派模型及其工作原理。
4. 阐述双亲委派模型的作用：说明为什么需要它。
5. 总结：将两者联系起来，做一个简洁的总结。

详细回答

面试官您好，关于类加载过程和双亲委派模型，我的理解如下：

一、类加载过程

类加载是指Java虚拟机（JVM）将类的.class文件中的二进制数据读入内存，并将其转换为运行时数据区中的方法区里的数据结构，最终在堆中创建一个代表该类的 java.lang.Class 对象，作为方法区该类各种数据的访问入口。

这个过程主要分为以下三个大阶段：加载、链接、初始化。其中链接又细分为三个子阶段。

1. 加载

• 任务：查找并加载类的二进制数据。
• 具体工作：
  • 通过类的全限定名（如 java.lang.String）来获取定义此类的二进制字节流（可以从ZIP包、网络、运行时计算生成、数据库等来源获取）。
  • 将这个字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构。
  • 在堆内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，作为方法区这些数据的访问入口。

2. 链接

链接阶段负责将加载到内存的类数据合并到JVM的运行时状态中，它包含三个步骤：

• 验证：确保被加载的类是符合JVM规范的，不会危害虚拟机自身安全。
  • 文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式规范（例如，魔数0xCAFEBABE开头）。
  • 元数据验证：对类的元数据信息进行语义校验（例如：这个类是否有父类？是否继承了不允许被继承的final类？）。
  • 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。
  • 符号引用验证：发生在解析阶段，确保解析动作能正常执行。
• 准备：为类的静态变量分配内存并设置其初始值。
  • 这里分配的内存仅包括类变量（被static修饰的变量），而不包括实例变量。
  • 这里的“初始值”通常是数据类型的零值。例如 public static int value = 123; 在准备阶段过后的初始值是 0，而不是 123。将 value 赋值为 123 的 putstatic 指令是在初始化阶段才会执行的。
  • 但对于 final static 修饰的常量（如 public static final int value = 123;），因为它在编译时就被分配了，准备阶段就会直接赋值为 123。
• 解析：将符号引用替换为直接引用的过程。
  • 符号引用：是一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，与虚拟机内存布局无关。
  • 直接引用：可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个能间接定位到目标的句柄。直接引用和虚拟机实现的内存布局是相关的。
  • 这个阶段主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等进行解析。

3. 初始化

这是类加载过程的最后一步，真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说字节码）。

• 任务：执行类构造器 <clinit>() 方法的过程。
• <clinit>() 方法是什么？
  • 它是由编译器自动收集类中的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。
  • 静态语句块中只能访问到定义在它之前的类变量，定义在它之后的类变量，可以赋值，但不能访问。
• 时机：JVM保证在子类的 <clinit>() 方法执行前，父类的 <clinit>() 方法已经执行完毕。因此，JVM中第一个被执行的 <clinit>() 方法的类肯定是 java.lang.Object。
• 接口中也有 <clinit>() 方法，但执行接口的 <clinit>() 方法不需要先执行父接口的。只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。

二、双亲委派模型

1. 什么是双亲委派模型？

双亲委派模型是Java类加载机制中的一种工作模式。它描述了类加载器在接到加载类的请求时，是如何协作的。

2. 工作原理

当一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成。

• 每一层的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中。
• 只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求（在它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

3. 类加载器的层次结构

• 启动类加载器：由C++实现，是JVM的一部分。负责加载 <JAVA_HOME>/lib 目录下的核心类库（如rt.jar）。
• 扩展类加载器：负责加载 <JAVA_HOME>/lib/ext 目录下的扩展库。
• 应用程序类加载器：也叫系统类加载器，负责加载用户类路径上所指定的类库。这是我们程序中默认的类加载器。
• 自定义类加载器：用户可以自己定义类加载器。

它们之间的关系是：应用程序类加载器的父加载器是扩展类加载器，扩展类加载器的父加载器是启动类加载器（注意，这里不是以继承关系实现的父子，而是使用组合关系来复用父加载器的代码）。

4. 双亲委派模型的作用

• 确保类的全局唯一性：无论哪一个类加载器要加载某个类，最终都会委派给顶层的启动类加载器去加载。这样就保证了像 java.lang.Object 这样的核心类，在整个JVM环境中都是同一个类。相反，如果没有双亲委派，用户自己定义一个 java.lang.Object 类并放在ClassPath中，那系统中就会出现多个不同的Object类，Java体系的基础结构就乱了。
• 保证Java核心API的安全：防止核心API被随意篡改。
• 避免类的重复加载：当父加载器已经加载了该类时，子加载器就没有必要再次加载。

总结

简单来说，类加载过程描述了一个 .class 文件从磁盘加载到JVM内存，并最终成为一个可用的 Class 对象的详细步骤。而双亲委派模型则是指导这些类加载器如何协同工作的一套规则，它的核心思想是“自上而下”的检查与“自下而上”的加载，从而保证了Java程序的稳定运行和安全。

我的回答完毕，谢谢。

可能的追问与准备

• 如何打破双亲委派模型？
  • 回答：通过重写 ClassLoader 类的 loadClass() 方法（双亲委派的逻辑就在这个方法里）即可打破。更推荐的做法是重写 findClass() 方法，这样既不影响双亲委派模型，又能实现自定义的类加载逻辑。像Tomcat、JDBC等都因为特殊需求打破了双亲委派。
• Class.forName() 和 ClassLoader.loadClass() 的区别？
  • 回答：Class.forName() 是一个静态方法，默认会执行类的初始化阶段。而 ClassLoader.loadClass() 是一个实例方法，只会进行加载阶段，不会进行初始化。Class.forName() 可以控制是否初始化。
• 什么情况下会触发类的初始化？
  • 回答：1）遇到 new, getstatic, putstatic, invokestatic 这四条字节码指令时。2）使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用时。3）当初始化一个类时，如果其父类还没有进行初始化，则需要先触发其父类的初始化。4）虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类，虚拟机会先初始化这个主类。

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