一起学Java虚拟机（四）：类加载机制

一起学Java虚拟机系列：

• 一起学Java虚拟机（一）：内存区域和垃圾收集
• 一起学Java虚拟机（二）：类文件结构
• 一起学Java虚拟机（三）：字节码指令简介

前言

了解JVM是对Java程序员的基本要求，但是有多少同学和我有一样醉心解bug堆布局，忘记了内功修炼，对JVM的理解是零碎的。系统地学习一次JVM也许能让我们在这条路走得更好更远。

类的生命周期

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一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分统称为连接（Linking）。

类加载的过程

加载

“加载”（Loading）阶段是整个“类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段，在加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情：

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化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
   加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中
   了，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义，《Java虚拟机规范》未规定此区域的具体
   数据结构。类型数据妥善安置在方法区之后，会在Java堆内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，
   这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口

验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。2011年《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》出版，规范中大幅增加了验证过程的描述，验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

1. 文件格式验证

第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。

2. 元数据验证

第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在与《Java语言规范》定义相悖的元数据信息。

3. 字节码验证

第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是通过数据流分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型校验完毕以后，这阶段就要对类的方法体（Class文件中的Code属性）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行为。

4. 符号引用验证

最后一个阶段的校验行为发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用[3]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（常量池中的各种符号引用）的各类信息进行匹配性校验，通俗来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。

准备

准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。
关于准备阶段，还有两个容易产生混淆的概念笔者需要着重强调，首先是实现这时候进行内存分配的仅包括类变量，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。其次是这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。

public static int value = 123;

例如value在准备阶段过后的初始值为0，而不是123。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()方法之中，所以把value赋值为123的动作要到类的初始化阶段才会被执行。

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public static final int value = 123;

对于ConstantValue属性，那在准备阶段变量值就会被初始化为ConstantValue属性所指定的初始值。

解析

解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

1. 符号引用（Symbolic References）：

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是已经加载到虚拟机内存当中的内容。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，因为实现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。

2. 直接引用（Direct References）：

直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间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直接相关的，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虚拟机的内存中存在。

初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，之前介绍的几个类加载的动作里，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。

进行准备阶段时，变量已经赋过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。我们也可以从另外一种更直接的形式来表达：初始化阶段就是执行类构造器()方法的过程。()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物。

• ()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.

public class Test {
 static {实现
 i = 0; // 给变量复制可以正常编译通过
 System.out.print(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用”
 }
 static int i = 1;
}

• ()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的()方法执行前，父类的()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的()方法的类型肯定是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。

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);//输出 2
}

• ()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，也没有对变量的赋值操作，那么编译器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，因为只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。此外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。
• Java虚拟机必须保证一个类的()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，那么只会有其中一个线程去执行这个类的()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行完毕()方法。如果在一个类的()方法中有耗时很长的操作，那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

static class DeadLoopClass {
    static {
        // 如果不加上这个if语句，编译器将提示“Initializer does not complete normally”并拒绝编译
        if (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
            while (true) {
            }
        }
    }
   }

   public static void main(String[] args) {
    Runnable script = new Runnable() {
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread() + "start");
        DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();
        System.out.println(Thread.currentThread() + " run over");
    }};
    Thread thread1 = new Thread(script);
    Thread thread2 = new Thread(script);
    thread1.start();
    thread2.start();
   }

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意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个Java虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

双亲委派模型

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1. 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：

这个类加载器负责加载存放在
\lib目录，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的，而且是Java虚拟机能够
识别的（按照文件名识别，如rt.jar、tools.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类
库加载到虚拟机的内存中。

2. 扩展类加载器（Extension Class Loader）：

这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader中以Java代码的形式实现的。它负责加载\lib\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。

3. 应用程序类加载器（Application Class Loader）：

由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystem�ClassLoader()方法的返回值，所以有些场合中也称它为“系统类加载器”。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所有的类库，开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。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

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，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送到最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完成加载。

双亲委派模型的实现

protected synchronized Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
{
 // 首先，检查请求的类是否已经被加载过了
 Class c = findLoadedClass(name);
 if (c == null) {
 try {
 if (parent != null) {
 c = parent.loadClass(name, false);
 } else {
 c = findBootstrapClassOrNull(name);
 }
 } catch (ClassNotFoundException e) {
 // 如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
 // 说明父类加载器无法完成加载请求
 }
 if (c == null) {
 // 在父类加载器无法加载时
 // 再调用本身的findClass方法来进行类加载
 c = findClass(name);
 }
 }
 if (resolve) {
 resolveClass(c);
 }
 return c;
}