Java-JVM（四）-虚拟机类加载机制
近期在读周志明老师的《深入理解Java虚拟机》现将我重点看的几个章节的知识总结一下，一来是对自己近期学习的知识做个记录，二来帮助其他小伙伴们快速了解下Java的JVM。
目录
1： 概述
2：类加载的时机
3：类加载的过程
3.1 加载
3.2 验证
3.2.1 文件格式验证
3.2.2 元数据验证
3.2.3 字节码验证
3.2.4 符号引用验证
3.3 准备
解释：ConstantValue属性
3.4 解析
3.5 初始化
4： 类加载器
4.1 类加载器的作用
4.2 类与类加载器
4.3 双亲委派模型
1： 概述
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。
2：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了：加载-验证-准备-解析-初始化-使用-卸载七个阶段，其中验证，准备和解析三个部分统称为“链接”，如下图：
其中，解析这个过程不是严格按照上图的顺序进行开始（这些阶段通常都是互相交叉地混合进行，通常会在一个阶段执行的过程中调用或激活另外一个阶段）的，因为它在某些情况下可以在初始化之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定。
虚拟机规范中并没有强制约束“加载”阶段什么时候开始，这点交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有四种情况必须立即对类进行“初始化”：
- 遇到new、getstatic、putstatic或者invokestatic这4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，用户需要制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的动态语言支持的时候，当第一次调用java.lang.invoke.MethodHandle实例，并且经过JVM解析的句柄结果有以下（REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial）四种时，需要先触发其初始化。
对于这五种会触发类进行初始化的场景，虚拟机规范正使用了一个很强烈的限定语：“有且只有”，这四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，都不会出发初始化，称为被动引用。
3：类加载的过程
3.1 加载
“加载”是“类加载的一个阶段”。在加载阶段，虚拟机需要做一下三件事：
- 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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class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访问入口。
3.2 验证
验证是链接阶段的第一步，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。
3.2.1 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。可能包括以下验证点：
- 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。
- 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型（检查常量tag标志）。
- 指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或者不符合类型的常量。
- CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。
- 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。
- ......
3.2.2 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语言的规范要求，可能包括的验证点如下：
- 这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）。
- 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）。
- 如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或者接口之中要求实现的所有方法。
- 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾（例如覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的方法重载，例如方法参数都一致，但返回值类型却不同等）。
- ......
3.2.3 字节码验证
此阶段是进行数据流和控制流分析，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行为，例如：
- 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，例如不会出现类似这样的情况：在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按照long类型来家载入本地变量表中。
- 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
- 保证方法体中的类型转换是有效的，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这是安全的，但是把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系，完全不相干的一个数据类型，则是危险和不合法的。
- ......
3.2.4 符号引用验证
最后一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，这个转化动作将在链接的第三阶段--解析中发生。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）的信息进行匹配行的检验，通常需要校验以下内容：
- 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。
- 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。
- 符号引用中的类、字段和方法的访问性（private、protected、public、default）是否可以被当前类访问。
- ......
验证阶段对于虚拟机的类加载机制来说，是一个非常重要的，但不一定是必要的阶段。如果所运行的全部代码（包括自己写的，第三方包中的代码）都已经被反复使用和验证，在实施阶段就可以考虑使用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短类加载的时间。
3.3 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，这些内存都将在方法区中进行分配。这个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时，随着对象一起分配在Java堆中。另外初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：
public static int value = 123；
那么value在准备阶段过后的初始值为0，而不是123，因为这个时候尚未开始任何java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器
在“通常情况”下初始值是零值，那相对的会有一些“特殊情况”：如果类字段的字段属性存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量value就会被初始化成ConstantValue属性所指定的值，假设上面类变量value的定义变为：
public static final int value = 123；
编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。
解释：ConstantValue属性
以下斜体引用自：https://blog.csdn.net/honjane/article/details/51835636；
在实际的程序中，只有同时被final和static修饰的字段才有ConstantValue属性，且限于基本类型和String。编译时Javac将会为该常量生成ConstantValue属性，在类加载的准备阶段虚拟机便会根据ConstantValue为常量设置相应的值，如果该变量没有被final修饰，或者并非基本类型及字符串，则选择在类构造器中进行初始化。
3.4 解析
解析阶段是虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。
- 符号引用：编译期，虚拟机并不知道所引用类的地址，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。
- 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。直接引用是与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上翻译出来的直接引用一般不会相同（实际地址不一样）。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。
3.5 初始化
初始化是类加载过程的最后一步，这个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，变量已经赋值过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则是根据程序员通过程序定制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来表达：初始化阶段是执行类构造器
()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(static{}块)中的语句合并产生的，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，当时不能访问。 ()方法与类的构造器不同，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。 - 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，如下代码中，字段B的值将会是2而不是1。
static class Parent {
public static int A = 1;
static {
A = 2;
}
}
static class Sub extends Parent {
public static int B = A;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(Sub.B);
}
()方法对于类或者接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译可以不为这个类生成 ()方法。 - 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。但是接口与类不同的是，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时也一样不会执行接口的 ()方法。 - 虚拟机会保证一个类的
()方法在多线程环境中被正确的加锁和同步，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，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行 ()方法完毕。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，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。
4： 类加载器
4.1 类加载器的作用
将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些静态数据转换成方法区中的运行时数据结构，在堆中生成一个代表这个类的java.lang.class对象，来作为程序访问方法区类数据的入口。
标准的Java SE类加载器可以按照要求查找类，一旦某个类被加载到类加载器中，它将维持加载（缓存）一段时间，JVM垃圾收集器可以回收这些对象。
4.2 类与类加载器
对于任意一个类，都需要由它的类加载器和这个类本身一同确定其在Java虚拟机中的唯一性。比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是同一个类加载器的前提之下才有意义，否则即使这两个类是来源于同一个class文件，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。
4.3 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，并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader。
从Java开发人员的角度来看，类加载器可以划分的更细致一些，绝大部分Java程序都会使用到以下3种系统提供的类加载器。
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这个类将存放在
\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，名称不符合类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用。 - 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载器
\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。 - 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher$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的默认类加载器。
上图所展示的类加载器之间的这种层次关系，就成为类加载器的双亲委派模型。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当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，而是都使用组合关系来复用父加载器的代码。
双亲委派模型的工作过程是：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，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都应该传递到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（它的搜索范围中没有找到所需的类）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类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是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。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种加载器环境中都是同一个类。相反，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，如果用户自己编写了一个称为java.lang.Object的类，并放在程序的ClassPath中，那系统将会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基本的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。