虚拟机类加载机制

概述

类加载机制：虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型

1、类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析三个部分统称为连接（Linking）。

类进行初始化的五种条件（有且仅有）

• 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这四条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键词实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候
• 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化
• 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化
• 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main（）方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类
• 当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getstatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先出发其初始化

接口的初始化：编译器会为接口生成类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

2、 类加载的过程

2.1、加载

在加载阶段，虚拟机需要完成3件事情

• 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流
• 将这个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
• 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.class对象，作为方法区这个类的各种数据访问入口

加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区中；然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口

2.2、验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全
验证阶段大致会完成下面四个检验动作：

• 文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并储存于方法区之内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的储存结构进行的，不会再直接操作字节流

• 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求

• 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。再第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机的安全事件

• 符号引用验证：发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看作是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验。目的是确保解析动作能正常执行。

如果运行的代码都已经被反复的验证和使用，在实施阶段可以考虑使用“-Xverify:none"参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间

2.3、准备

准备阶段是正式为类变量（被static修饰的变量）分配内存并设置变量初始值（“通常情况”下是数据类型的零值）的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配
如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值。

2.4、解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程

• 符号引用（Symbolic References）：符号引用以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，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，应用的目标并不一定已经加载到内存中。
• 直接引用（Direct Reference）：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在

虚拟机实现可以根据需要来判断到底是在类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析，还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它。
解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。

2.5、初始化

在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其它资源。或者可以从另外一个方面来表达：初始化阶段是执行类构造器方法的过程。

3、类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己去决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

3.1、类与类加载器

对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确认其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。

3.2、双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），使用c++语言实现，是虚拟机的一部分；另一种是其他所有类加载器，这些类加载器由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader。
从Java开发人员的角度来看，有以下三种系统提供的类加载器：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）
• 应用程序加载器（Application ClassLoader）
  
  上面图片展示的类加载器之间的这种层次关系，称为类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation Model）。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父加载器。这里的类加载器之间的父子关系一般不会以继承（Inheritance）的关系实现，而是都使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。
  工作过程：如果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，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，自加载器才会尝试自己去加载。