深入理解java虚拟机（三）——类加载器

1 类的加载时机

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，这就是虚拟机的类加载机制。

在java语言中，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的，java语言天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。

 

java虚拟机规范中并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则严格规定了只有5种情况必须立即对类进行“初始化”（加载、验证、准备需要在此之前）：

1. 遇到new、getstatic、putstatic或者invokestatic这四个字节码指令时，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化；
2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化；
3. 当初始化一个类的时候，如果发现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. 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类；
5. 当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结构REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

 

这五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初始化，称为被动引用。

 

Ps:对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。

 

接口的加载过程和类加载过程稍有一些不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口也有初始化过程，这点与类是一致的，类的代码都是用静态语句块“static{}”来输出初始化信息的，而接口中不能使用“static{}”语句块，但编译器任然会为接口类生成“()”类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类真正有所区别的时前面讲述的物种“有且仅有”需要开始初始化场景中的第三种：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父类全部都完成了初始化，只有真正使用带接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

2 类的加载过程

2.1 加载

加载是类加载过程的一个阶段。在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事：

1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；
2. 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；
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。

 

对于数组类而言，情况有所不同，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密切的关系，因为数组类的元素类型最终要靠类加载器去创建，一个数组类（下面简称C）创建过程就遵循以下规则：

1. 如果数组的组件类型是引用类型，那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组C将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识；
2. 如果数组的组件类型不是引用类型，java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联；
3. 组件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，那数组类的可见性默认为public。

 

加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，方法区中别的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范为规定此区域的具体数据结构。然后再虚拟机中实例化一个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

验证时连接阶段的第一步，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。

1. 文件格式验证

这一阶段要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。主要验证以下验证点：

1. 是否以魔数0xCAFEBABE开头；
2. 主、次版本号是否再当前虚拟机处理范围之内；
3. 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型；
4. 指向常量的各种索引中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量；
5. CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据；
6. Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息；
7. 。。。

 

该验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，格式上符合描述一个java类型信息的要求。

 

1. 元数据验证

第二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，这个阶段可能包括以下验证点：

1. 这个类是否有父类；
2. 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类；
3. 如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法；
4. 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾

 

第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

 

1. 字节码阶段

第三阶段是验证过程中最复杂的一个阶段，住哟啊目的是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。 第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这个阶段对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法再运行时不会做出危害虚拟机安全的事件，例如：

1. 保证任意时刻，操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作；
2. 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上；
3. 保证方法体中的类型转换时有效的；
4. 。。。

 

1. 符合引用验证

最后一个阶段的校验发生再虚拟机将符号引用转换为直接引用的时候，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的信息进行匹配性校验，通常需要校验以下内容：

1. 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；
2. 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段；
3. 符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可被当前类访问；
4. 。。。

 

符号引用验证的目的是确保解析动作能正常执行，如果无法通过符号引用验证，那么将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类。

对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要的阶段。

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。类变量是指被static修饰的变量，实例变量将会在对象实例化时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。

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。

解析阶段中符号引用和直接引用的关联？

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，引用的目标不一定加载到内存中。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间接定位到目标的句柄。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

 

虚拟机规范之中并未规定解析阶段发生的具体时间，只要求了在执行anewarray、checkcast、getfiled、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、idc、idc_w、multianewarray、new、putfield和putstatic这16个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用的符号引用进行解析。

除invokedynamic指令外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标识为已解析状态）从而避免解析动作重复进行。

因为invokedynamic指令的目的本来就是用于动态语言支持（目前仅使用Java语言不会生成这条字节码指令），它所对应的引用称为“动态调用点限定符”，这里“动态”的含义是必须等到程序实际运行到这条指令的时候，解析动作才能进行。相对的，其余可触发解析的动作指令都是“静态”的，可以在刚完成加载阶段，还没有开始执行代码时就进行解析。

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，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info7种常量类型。

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，那虚拟机完成整个解析的过程需要以下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;
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的描述符会类似“[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第一点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符合前面所假设的形式，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。

1. 字段解析

要解析一个为解析过的字段符号引用，首先会将字段表内class_index香中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。

1. 类方法解析
2. 接口方法解析

 

2.5 初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码。

在准备阶段，变量已经赋值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他资源。

3 类加载器

3.1 类与类加载器

类加载器一是可以实现类的加载动作，二是任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在java虚拟机种的唯一性，每一个类加载器，都有一个独立的类名称空间。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，那这个类就必定不相等。

相等即类的Class对象的equals()、isAssignableFrom()、isInstance()方法返回的结果相等，也包括instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。

3.2 双亲委派模型

从Java虚拟机角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载其使用C++语言实现，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，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

 

从java开发人员的角度，类加载器还可以划分得更细致一些，主要分为3种：

1. 启动类加载器：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）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：它负载加载\lin\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：这个类加载器是由ClassLoader中的getSYstemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它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。
4. 自定义类加载器。

 

类加载器的这种层次关系，称为双亲委派模型。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器之外，其他的类加载器都有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现，而是使用组合关系来服用父加载器的代码。

 

类加载器的双亲委派模型并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一种类加载器实现方式。

 

双亲委派模型的工作过程：如果一个类加载器收到了类加载的请求，首先会将请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的类加载请求最终都应该传送到顶层的顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载。

 

使用双亲委派模型来组织加载器之间的关系，好处就是java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果写一个类并放在ClassPath中，那系统将会出现多个Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无法保证。

3.3 破坏双亲委派模型

第一次破坏，是发生在双亲委派模型出现之前——即JDK1.2出现之前。

第二次破坏，线程上下文类加载器。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setCOntextClassLoaser()方法进行设置，如果线程创建时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

第三次破坏是由于用户对程序动态性的追求而导致的，如“代码热替换”、“模块热部署”等。