Java虚拟机（六） -类加载机制-加载器-双亲委派

一、概述

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）、卸载（Unloading）七个阶段。
其中，验证、准备、解析3个部分统称为连接（Linking）。

生命周期的五个阶段（加载、验证、准备、初始化、卸载）是按顺序开始的（不保证按顺序进行或完成，因为这些阶段通常是互相交叉地混合式进行的）。

解析阶段可能在初始化之前也可能在初始化之后开始，因为Java支持运行时绑定。

虚拟机规范规定了，有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”（加载、验证、准备会在初始化之前完成）：

1. 遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这4条字节码指令。指令分别对应，new关键字，获取静态变量的值，设置一个静态变量（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外），调用一个类的静态方法。
2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用，并这个类没有进行过初始化
3. 初始化一个类的时候，父类没有被初始化过，需要先初始化父类。
4. 虚拟机启动，用户指定要执行的主类（main()方法的类），虚拟机会先初始化主类。
5. 如果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，需先触发其初始化。

注意：第三点，初始化类的时候，父类没有被初始化，需要先初始化父类，但如果是接口，并不会要求父接口全部都完成初始化，只有在用到父接口的时候（例如，引用接口中定义的常量），才会初始化。

• 主动引用，以上五种行为称为对一个类进行主动引用。
• 被动引用，除此之外，所有引用类的方法不会触发初始化，称为被动引用。

被动引用的例子：

public class ParentClass {
    static {
        System.out.println("parent init!");
    }
    public static int value = 123;
    public static final String HELLO_WORLD = "hello world";
}

public class ChildClass extends ParentClass {
    static {
        System.out.println("child init!")
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ChildClass.value);  // 第一句
        ParentClass[] temp = new ParentClass[10]; // 第二句
        System.out.println(ParentClass.HELLO_WORLD); // 第三句
    }
}
// 打印结果(三句话分别执行)
// parent init!  (第一句打印结果)
// 第二句没有打印
// 第三句没有打印

结论：
（1）对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，通过子类引用父类定义的静态字段，只会触发父类的初始化，而不会触发子类的初始化。
（2）定义一个类的数组，不会触发该类的初始化。
（3）在编译器，hello world会被存储到Test类的常量池，Test对常量ParentClass.HELLO_WORLD的引用会转化为Test类对自身常量池的引用。

二、类加载过程

生命周期的前五个阶段，是一个类的加载过程（加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization））

1. 加载Loading
   (1). 通过类的全限定名来获取定义此类的二进制流文件
   (2). 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
   (3). 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的访问入口。

2. 验证
   对于虚拟机的类加载机制来说，验证是非常重要的阶段，但他不是一个必要的阶段。对程序运行期没有影响。如果所运行的全部代码（包括自己编写的及第三方包中的代码）都已经被反复的使用和验证过，那么实施阶段，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。
   .
   (1). 文件格式验证。
   这阶段的验证主要保证输入的字节流能正确地解析并存储到方法区内，格式商符合描述一个Java类型信息的要求。该阶段是基于二进制字节流进行的，只有通过这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储。
   **验证点：**是否以魔数0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内、指向常量的各种索引值是否指向不存在的常量等等.
   .
   (2). 元数据验证。
   这个阶段是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。
   验证点：这个类是否有父类（除了Object,所有的类都应该有父类）、这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（final修饰）等等。
   .
   (3). 字节码验证
   最复杂的验证阶段，主要目的是通过数据流和控制流的分析，确认程序语义是合法的，符合逻辑的。这个阶段会对类的方法体进行校验分析，保证校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件。
   .
   (4). 符号引用验证
   这个阶段的校验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个阶段–解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验。
   验证点：符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类等等。

3. 准备
   准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都在方法区中进行分配。（这里分配的初始值的变量是类变量,static修饰，并且，赋予的初始值是零值。例如： public static int value = 123; 这个阶段，给value分配的值是0，也就是int的默认值。把value赋值123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器()方法之中，把123赋给value,是在初始化阶段执行的。）
   上面说的赋值有个例外，假设类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，准备阶段的value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值。例如：public static final int value = 123;,这个value就会在准备阶段被赋予123。

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。
   虚拟机规范要求在anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield和putstatic这16个指令之前执行解析。

5. 初始化
   初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。
   ()方法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。
   （1）. 静态语句块中只能访问到定义静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，静态语句块可以对其赋值，但不能访问。
   static {
int i = 0; // 变量赋值可以正常编译通过
System.out.print(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用”
}
static int i = 1;
   （2）. 虚拟机会保证在子类的()执行前，父类的()的方法已经执行完毕。父类的静态代码块会优先于子类的变量赋值操作。
   （3）. 如果一个类没有赋值操作，也没有静态代码块，编译器可以不为这个类生成()方法。
   （4）. 接口不会有静态代码块，但有赋值操作，所以也有()方法。接口的()方法执行不需要先执行父接口的()方法。只有父接口定义的变量使用时，父接口才会初始化。
   （5）. 虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步。如果有多个线程同时初始化一个类，只会有一个线程执行()方法，其他线程阻塞，直到活动线程执行()完毕。

三、类加载器

类加载（Class Loading）过程中，加载这个阶段中的“通过类的全限定名来获取定义此类的二进制流文件”这个动作是放到Java虚拟机外部去实现的。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

1. 比较两个类相等，只有在同一个类加载器下，才有意义。如果两个类被不同加载器加载，即使它们来源于同一个Class，也不相等。

分类

对于jvm来说，有两种类加载器：

1. 启动类加载器
   由C++实现（针对HotSpot虚拟机来说），是虚拟机的一部分。
   负责加载\lin目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存中。
   无法被Java程序直接引用。
2. 其他类加载器
   由Java语言实现，独立于虚拟机。

对于Java开发人员来说，有3种系统提供的加载器

1. 启动类加载器
2. 扩展类加载器
   由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
   负责加载\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库。
   开发者可以直接使用扩展类加载器
3. 应用程序类加载器（系统类加载器），程序默认的加载器
   由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。
   负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库。
   开发者可以直接使用

应用程序一般都是由这3种类加载器互相配合进行加载，如果有必要，可以加入自己定义的类加载器。

双亲委派模型

1. 概念：
   双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器，其余类加载器都应当有自己的父类加载器（以组合的形式复用父类加载器，而不是继承）
2. 工作过程
   类加载器收到类加载请求，它会先把这个请求委派给父类加载器去完成，每个层次的类加载器都是如此。所有加载请求都会传送到顶层的启动类加载器中。当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求，子类加载器会尝试自己去加载。

在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中，可以看到双亲委派模型的实现

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false); // 父类加载器加载
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name); // 启动类加载器加载
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name); // 自己加载

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

注意：双亲委派模型不是一个强制性的约束模型，而是Java设计者推荐给开发者的类加载器实现方式。

四、名词解释

• 全限定名， 例如类java.lang.String的全限定名为 java/lang/String
• 魔数0xCAFEBABE，每个Class文件的头4个字节称为魔数（Magic Number），它唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。0xCAFEBABE是固定值。
• 常量池中主要存放两大类常量：字面量和符号引用。字面量是可以理解成Java的常量，如文本字符串等。符号引用主要包括三类常量：1, 类和接口的全限定名；2,字段的名称和描述符；3,方法的名称和描述符；
• 符号引用，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。符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。
• 直接引用，直接引用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。同一个符号应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，引用的目标必定存在内存中。
• 字段表 class文件结构的一部分，用于描述接口或类中声明的变量。
• 属性表 在Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表结合，用于描述某些场景的专用信息。
• ConstantValue ConstantValue是虚拟机规范预定义的属性，存在于字段表。表示final关键字定义的常量值。

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[1] 周志明 · 深入理解Java虚拟机 ：机械工业出版社