虚拟机类加载机制

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：加载（Loading)，验证（Verification)，准备（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所示。

图中加载，验证，准备，初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：Java语言的运行时绑定（也称动态绑定或晚期绑定）运行它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始。

对于类加载过程的第一阶段——加载阶段，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，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”（初始化之前已经完成了类的加载，验证，准备阶段）。

• 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，则需要触发其初始化。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修饰及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时。

• 当初始化一个类时，如果发现其父类还没有进行过初始化，则要对其父类先进行初始化。

• 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类，虚拟机会先初始化这个类。

• 当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实列的最后解析结果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。

以上场景种的5种行为称为对一个类的主动引用。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。接下来举3个例子来说明何为被动引用。

public class SuperClass {

    static {
        System.out.println("SuperClass init ............");
    }

    public static int value = 12;
}

public class SubClass extends SuperClass {

    static{
        System.out.println("SubClass init.......");
    }

}

/**
*被动引用类字段  demo1
*通过子类引用分类的静态字段，不会导致子类初始化
*/
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}

/**
*被动引用类字段  demo2
*通过数字定义来引用类，不会触发此类的初始化
*/
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        SuperClass[] supArr = new SuperClass[10];
    }
}

/**
*被动引用类字段  demo3
*/
public class ConstantClass {

    static {
        System.out.println("ConstantClass init........");
    }

    public static final String SAY_HELLO = "hello";
}

/**
*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 Test {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstantClass.SAY_HELLO);
    }
}

3. 类加载的过程

3.1 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。
  1. 从Zip包中读取，这很常见，最终成为日后Jar,Ear,War格式的基础
  2. 从网络中获取，最典型的应用就是Applet
  3. 运行时计算生成，这种场景使用的最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.proxy中，就是用了ProxyGenerateProxyClass来为特定接口生成形式为“*$Proxy”代理类的二进制字节流
  4. 由其他文件生成，典型场景是JSP,即由JSP文件生成对应的Class类
  5. 从数据库中读取（相对比较少见）
• 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。

对于数组类而言，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。一个数组类的创建过程就遵循以下原则：

• 如果数组的组件类型(指的是数组去掉一个维度的类型)是引用类型，那就递归采用上面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。
• 如果数组的组件类型不是引用类型(列如int[]组数)，Java虚拟机将会把数组C标识为与引导类加载器关联。
• 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。

3.2 验证

验证同时也是连接阶段的第一步，在这一阶段主要是为了验证Class文件中的字节流中所包含的信息是否符合当前虚拟机的要求。此阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过类这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区进行存储，所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。验证阶段大约会完成下面4个阶段的检验动作：

• 文件格式验证。验证字节流文件是否符合Class文件格式的规范，并能被当前虚拟机处理。
  1. 是否以魔数0xCAFEBABE开头
  2. 主次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内
  3. 常量池中的常量是否有不被支持的常量类型(检查常量tag标志)
  4. 指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量
  5. CONSTANT_Itf8_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
• 元数据验证。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。
  1. 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)
  2. 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）
  3. 如果这个类不是抽象类，是否实现类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(列如覆盖类父类的final字段,或者出现不符合规则的方法重载，列如方法参数都一致，但返回值类型却不同等)
• 字节码验证。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。
  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，列如，列如在操作数栈放置类一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中
  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，列如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这个是安全的，但是吧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
• 符号引用验证。符合引用的验证发生在虚拟机将符合引用直接转化为直接引用的时候，符号引用的验证可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符合引用）的信息进行匹配性校验。
  1. 符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到相对应的类
  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、方法的访问性是否可被当前类访问

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，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。注意这里分配内存的对象仅仅包括类变量（被static修饰的变量），而不包括实列变量，实例变量将会在对象实例化的时候随着对象一起分配在Java堆中。

3.4 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，只要使用时能够无歧义的定位到目标即可。直接引用：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能简接定位到目标的句柄。

• 类或接口的解析
• 字段解析
• 类方法解析
• 接口方法解析

3.5 初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一步，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，才正真开始执行类中定义的Java程序代码(或者说是字节码)

4. 类加载器与双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来说，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器，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。总体来说，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）。负责将存放在\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所制定的路径中的，并且是JVM识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，如果名字不符合，即使放在lib目录中也不会被加载），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。由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，负责加载\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
• 应用程序类加载器（Application ClassLoader），由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般称它为系统类加载器。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。

大部分java应用程序都是由这3种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要还可以加入自己定义的类加载器。类加载器直接的关系一般如下图所示。

类加载器双亲委派模型.png

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是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（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使得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最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类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，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。实现双亲委派模型的代码主要都集中在java.lang.ClassLoader的 loadClass()方法之中。

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);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } 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);

                    // 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;
        }
    }

上一篇：Java虚拟机内存分配与回收策略
下一篇：Java内存模型(JMM)