虚拟机类加载机制

1、类加载时机

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、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段。

graph LR
A[加载]-->B[验证]
B-->C[准备]
C-->D[解析]
D-->E[初始化]
E-->F[使用]
F-->G[卸载]

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，只有解析阶段在某些情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定(也称为动态绑定或晚期绑定)。

虚拟机加载阶段在Java虚拟机规范中并没有进行强制约束，由虚拟机的具体实现来自由把握。虚拟机规范严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”(加载、验证、准备自然在此之前开始)：

• 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行初始化过，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象化的时候、读取或设置一个类的静态字段(被final修饰、已在编译期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JDK 1.7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，则需要先触发其初始化。

有且只有这5种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。除此之外，所有引用类的方式都不会触发其初始化，称为被动引用。例下面三种引用不会导致初始化：

• 1、通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
• 2、通过数组定义来引用类，不会触发此类初始化
• 3、常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化

接口和类初始化有所区别的地方在于：当一个类初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是接口初始化时，并不要求其父接口全部完成初始化，只有在使用到父接口时(引用父接口中的常量)才会初始化

2、类加载过程

2.1、加载

在加载阶段，虚拟机需要完成以下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的访问入口

获取二进制字节流的途径：

• 1、从zip包中获取，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础
• 2、从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Applet
• 3、运行时计算生成，这种场景使用最多的就是动态代理
• 4、由其它文件生成，典型场景是JSP应用，即由JSP文件生成对应的Class类
• 5、从数据库中读取，这种场景相对较少，例如有些中间件服务器(SAP Netweaver)可以选
  择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。

相对于类加载过程的其他阶段，一个非数组的加载阶段(加载阶段中获取类的二进制字节流的动作)是开发人员可控性最强的，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成(开发人员通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式，即重写一个类加载器的loadClass()方法)。

对于数组类而言，情况就有所不同，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型(Element Typ
e，指的是数组去掉所有维度的类型)最终是要靠类加载器去创建，一个数组类创建过程遵循以下规则：

• 1、如果数组的组件类型(Element Type，指的是数组去掉一个维度的类型)是引用类型，那
  就递归采用非数组加载过程去加载这个组件类型
• 2、如果数组的组件类型是基本数据类型，Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器相关联
• 3、数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组类的可见性将默认为public

加载阶段完成之后，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之中，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象(并没有明确规定是在Java堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里面)，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。

加载阶段与连接阶段的部分内容是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但是这两个阶段的开始时间仍然保持固定的先后顺序。

2.2、验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段目的是为了确保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。

• 1、文件格式验证
• 2、元数据验证
• 3、字节码验证
• 4、符号引用验证

2.3、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将在方法区中进行分配。这个阶段中有两个容易混淆的概念，首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量(被static修饰的变量)，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化随着对象一起分配在Java堆中。其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，类变量的赋值动作是在初始化阶段才会执行。

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：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，引用的目标并不一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，因为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：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能直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，同一个符号引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。

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。

1、类或接口的解析
假设当前代码所处的类为D，如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用，那么虚拟机完成整个解析过程需要3个步骤：

• 1、如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或实现的接口。
• 2、如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类似“[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”,接着由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。
• 3、如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。

2、字段解析
虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索

• 1、如果C本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
• 2、否则，如果在C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
• 3、否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
• 4、否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

查找过程成功返回引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，将抛出java.lang.IlleglAccessError异常。

3、类方法解析
类方法解析第一个步骤与字段解析一样，也需要先解析出类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，我们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的类方法搜索：

• 1、类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class_index中索引的C是个接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
• 2、在类C中查找是否有与目标相匹配的方法
• 3、否则，在类C的父类中递归查找是否有与目标相匹配的方法，如果存在匹配的方法，返回这个方法的直接引用。
• 4、否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果存在匹配的方法，说明C是一个抽象类，这时查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
• 5、否则，方法查找失败，抛出java.lang.NoSunchMethodError。
  最后，查找成功返回直接引用，将会对这个方法进行权限验证。

4、接口方法解析
接口方法也需要先解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，依然用C表示这个接口，后续接口方法搜索步骤：

• 1、首先在接口方法列表中发现class_index中的索引C不能是类应该是接口
• 2、否则，在接口C中查找是否有与目标相匹配的方法
• 3、否则，在接口C的父接口中递归查找，知道java.lang.Object类为止，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法
• 4、否则，方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。
  因为接口中所有方法默认为public，所以不存在权限问题。

2.5初始化

类初始化阶段是类加载阶段过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码(或者说是字节码)。

初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。()方法执行过程中一些可能会影响程序运行行为的特点和细节

• 1、()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而成的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值但是不能访问。
• 2、()方法与类的构造函数(或者说实例构造器())不同，它不需要显示地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的()方法的类肯定是java.lang.Object。
• 3、由于父类的()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。
• 4、()方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成()方法。
• 5、接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成()方法。但接口与类不同的是，执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。
• 6、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，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的()方法，其他线程都需要等待，知道活动线程执行()方法完毕(执行完()方法的线程退出()方法后，其它线程唤醒之后不会再去执行()方法。同一个类加载器下，一个类型只会初始化一次)。如果在一个类的()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞，实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

3、类加载器

虚拟机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决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块成为“类加载器”。
类加载器在类层次划分、OSGi、热部署、代码加密等领域大放异彩，成为了Java技术体系的一块基石。

3.1、类与类加载器

比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有的意义，否则，即使这两个类来源于同一个class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那么这两个类就必定不相等。

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)，这个类加载器由C++实现，是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

从开发人员的角度划分，类加载器还可以划分得更细致一些，绝大多数Java程序都会使用以下3种系统提供的类加载器。
-1、启动类加载器：这个类加载器负责将存放在\lib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(仅按照文件名识别，如rt.jar)类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，那直接使用null代替即可。

• 2、扩展类加载器：这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载\lib\ext目录中的，或者是被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
• 3、应用程序类加载器：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称他为系统类加载器。它负责加载用户路径上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

使用双亲委派模型来组织类加载器的优点在于：一个类java.lang.Object,存放在rt.jar中无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型