深入理解Java虚拟机之虚拟机类加载机制

一.概述
Class文件中描述的各种信息最终都需要加载到虚拟机之中才能运行和使用。如何加载Class文件，Class文件中的信息进入到虚拟机后发生什么变化?
虚拟机的类加载机制：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。
（class文件是一串二进制字节流）
二.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（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3个部分统称为连接（Linking），这7个阶段的发生顺序如图：

加载，验证，准备，初始化这五个阶段的顺序是确定的。但这五个阶段通常是互相交叉混合式的进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用，激活另外一个阶段。
特别说下解析：解析在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，目的是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。
有且只有的5种必须对类进行“初始化”的情况：

1. 遇到new,getstatic,putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类没进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令最常见的Java代码场景时：使用new关键字实例化对象的时候，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）
2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果没有进行过初始化，则需先触发其初始化。
3. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需先触发其父类的初始化。
4. 当虚拟机启动时，用户需要指定一个执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机先初始化这个主类。
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进行过初始化，则需要先触发其初始化。

所有引用类的方式都不会触发初始化称为被动引用，下面是3个被动引用例子：
①通过子类引用父类静态字段，不会导致子类初始化；

public class SuperClass {
    static {
        System.out.println("SuperClass init");
    }
    public static int value = 66;
}

②通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化；

public class Subclass extends SuperClass {
    static {
        System.out.println("Subclass init");
    }
}

①②测试类如下

public class Test{
	public static void main(String[] args){
	//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，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
		System.out.println(SubClass.value);//输出结果为“SuperClass init”
	//②通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化
	SuperClass[] sca = new SuperClass[10];//运行结果不会出现“SuperClass init”
	}
}

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定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化

//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。
public class ConstClass {
    static {
        System.out.println("ConstClass init");
    }
    public static final String HELLO = "hello world";
}
public class Test2 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstClass.HELLO);//输出结果：hello world,没有ConstClass init
    }
}

上面的代码在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值“hello word”存储到Test2类的常量池中了。以后Test2对常量的引用实际转化为Test2对自己常量池的引用。

接口的加载过程与类的加载过程有些不同
注：()是类构造器，（）是方法构造器
接口加载的特殊说明：接口也有初始化过程，这点与类一致，接口中不能使用“static{}”语句块，但编译器仍会为接口生成“()”类构造器,用于初始化接口中所定义的成员变量。
接口与类的初始化真正区别是前面讲述的5种中的第三种：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，并不要求其父类接口全部都完成了初始化，只有在真正用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会被初始化。
三.类加载的过程
加载（加载是类加载过程的一个子过程）
加载阶段虚拟机需要完成的三件事：

• 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。

• 将这个子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。

• 在内存中生存一个代表这个类的Java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据访问入口。

  相对于类加载过程的其他阶段，一个非数组类的加载阶段是（准确说是获取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完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员可以自定义一个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）。
  验证
  验证是连接阶段的第一步。验证的目的：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。
  验证的四个校验动作

• 文件格式验证
  内容：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。
  目的：保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，且格式上符合描述一个Java类型信息的要求。只有保证二进制字节流通过了该验证后，它才会进入内存的方法区中进行存储，所以后续3个验证阶段全部是基于方法区而不是字节流了。

• 元数据验证
  内容：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。
  目的：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。

• 字节码验证：是验证过程中最复杂的一个阶段。
  内容：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安全的事件。
  目的：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：
  内容：对类自身以外（如常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验。
  目的：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。
  注意：该验证发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，即『解析』阶段。
  准备
  内容：正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段
  （注意是类变量不是实例变量，实例变量在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中）
  解析
  目的：将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

• 符号引用：符号引用是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加载到内存中。 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，虚拟机所能接受的符号引用必须是一致的。

• 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。
  直接引用与虚拟机内存布局有关，同一个符号引用在不同虚拟机的实例上翻译出来的直接引用一般不同。如果有了直接引用，那引用的目标已经在内存中存在。
  发生时间：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。
  解析的说明：除了invokedynamic指令外，虚拟机实现可以对第一次解析进行缓存从而避免解析动作重复进行。invokedynamic指令用于支持动态语言支持，它所对应的引用称为“动态调用点限符”，动态指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。其他可以触发解析的指令是静态的，可以在刚刚完成加载阶段，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符7类符号引用进行分别对应于常量池的7种常量类型
  初始化
  类初始化是类加载阶段的最后一步，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，其余动作安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）。
  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他资源，或者可以从另外一个角度表达：初始化阶段是执行类构造器方法的过程。

执行类构造器< clinit >()方法

1. 静态语句块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.父类的< clinit>（）方法在子类的方法执行之前
   3.< clinit>()方法对于类和接口来说并不是必须的，没有静态语句块没有对变量的赋值操作就不存在这个< clinit>（）方法
   4.接口中有赋值操作，没有静态语句块，接口的< clinit>方法并不会先执行父接口的< clinit>方法。只有当使用父接口的变量时，父接口才会被初始化。
   5.虚拟机会保证一个类的< clinit >方法在多线程环境中被正确地加锁，同步，如果多线程地去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的< clinit>（）方法

类加载器
类加载器作用：通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流。
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立在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。

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，即使这两个类是来自同一个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，那么这两个类必定不相等。（）
这里的相等指的是Class对象的equals（）方法，isAssignableFrom()方法，isInstance（）方法返回的结果，也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。
双亲委派模型
从Java虚拟机角度来讲只存在两种类加载器
启动类加载器：使用C++语言实现，是虚拟机自身的一本分
另一种类加载器：由Java语言实现，独立于虚拟机外部，全都继承自抽象类Java.lang.ClassLoader.
从Java开发人员来看的三种系统类加载器。

1.启动类加载器 1

• 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。
• 是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。
• 无法直接引用，编写自定义类加载器时使用null可以把加载请求委派给引导类加载器。

2.扩展类加载器

• 这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
• 它负责加载\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
  3.应用程序类加载器
• 是默认的类加载器，是ClassLoader#getSystemClassLoader()的返回值，故又称为系统类加载器。
• 由sun.misc.Launcher$App-ClassLoader实现。
• 负责加载用户类路径上所指定的类库。

如果有必要可以引入自定义类加载器

上图为 类加载器的双亲委派模型。
双亲委派模型
要求：除了顶层启动类加载器外，其他类加载器都应当有自己的父类加载器。
类加载器的父子关系不是继承关系来实现，而是使用组合关系来复用父类加载器的代码。

工作过程：如果一个类加载器收到了类加载请求，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，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终应该传送到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时，子加载器才会尝试自己去加载。

好处：Java类随着它的的类加载器一起具备了一种带有优先级的层级关系。

代码实现：先检查是否被加载过，若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法，若父类加载器为空则默认使用启动类加载器作为父类加载器。如果父类加载失败，抛出ClaaNotFoundException异常后，再调用自己的findClass（）方法进行加载。
破坏双亲委派模型
第一次破坏：是因为类加载器和抽象类java.lang.ClassLoader在JDK1.0就存在的，而双亲委派模型在JDK1.2之后才被引入，为了兼容已经存在的用户自定义类加载器，引入双亲委派模型时做了一定的妥协：在java.lang.ClassLoader中引入了一个findClass()方法，在此之前，用户去继承java.lang.Classloader的唯一目的就是重写loadClass()方法。JDK1.2之后不提倡用户去覆盖loadClass()方法，而是把自己的类加载逻辑写到findClass()方法中，如果loadClass()方法中如果父类加载失败，则会调用自己的findClass()方法来完成加载，这样就可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派模型规则的。

第二次破坏：是因为模型自身的缺陷，现实中存在这样的场景：基础的类加载器需要求调用用户的代码，而基础的类加载器可能不认识用户的代码。为此，Java设计团队引入的设计时“线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）”。这样可以通过父类加载器请求子类加载器去完成类加载动作。已经违背了双亲委派模型的一般性原则。

第三次破坏：是由于用户对程序动态性的追求导致的。这里所说的动态性是指：“代码热替换”、“模块热部署”等等比较热门的词。说白了就是希望应用程序能够像我们的计算机外设一样，接上鼠标、U盘不用重启机器就能立即使用。OSGi是当前业界“事实上”的Java模块化标准，OSGi实现模块化热部署的关键是它自定义的类加载器机制的实现。每一个程序模块（OSGi中称为Bundle）都有一个自己的类加载器，当需要更换一个Bundle时，就把Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。在OSGi环境下，类加载器不再是双亲委派模型中的树状结构，而是进一步发展为更加复杂的网状结构。