JVM详解 --- 类加载机制

类加载机制思维导图

1.类的生命周期

Java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)七个阶段。其中准备、验证、解析3个部分统称为连接（Linking），如下图所示。

类的生命周期

注意：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：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。

1.1类加载过程

当程序主动使用某个类时，如果该类还未被加载到内存中，则JVM会通过加载、连接、初始化3个步骤来对该类进行初始化。如果没有意外，JVM将会连续完成3个步骤，所以有时也把这个3个步骤统称为类加载或类初始化。

1.1.1加载

类的加载过程主要完成三件事：

通过全类名获取定义此类的二进制字节流（获取.class文件的字节流）
将字节流上面所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构
在内存中生成一个代表该类的Class对象，作为方法区这些数据的访问入口

值得注意的是，加载阶段和连接阶段的部分内容是交叉进行的，加载阶段尚未结束，连接阶段可能就已经开始了。加载是类加载的一个阶段，注意不要混淆。

ps：描述一下JVM加载Class文件的原理机制

Java中的所有类，都需要由类加载器装载到JVM中才能运行。类加载器本身也是一个类，而它的工作就是把class文件从硬盘读取到内存中。在写程序的时候，我们几乎不需要关心类的加载，因为这些都是隐式装载的，除非我们有特殊的用法，像是反射，就需要显式的加载所需要的类。

类装载方式，有两种：

1.隐式装载，程序在运行过程中当碰到通过new 等方式生成对象时，隐式调用类装载器加载对应的类到jvm中，
2.显式装载，通过class.forname()等方法，显式加载需要的类

Java类的加载是动态的，它并不会一次性将所有类全部加载后再运行，而是保证程序运行的基础类(像是基类)完全加载到jvm中，至于其他类，则在需要的时候才加载。这当然就是为了节省内存开销。

1.1.2 连接

当类被加载之后，系统为之生成一个对应的Class对象，接着将会进入连接阶段，连接阶段负责把类的二进制数据合并到JRE中。类连接又可分为如下3个阶段。

（1）验证：验证阶段主要就是对文件格式，元数据，字节码以及符号应用的一些验证，个人感觉跟编译检查一样的工作。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。其主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。

文件格式验证：主要验证字节流是否符合Class文件格式规范，并且能被当前的虚拟机加载处理。例如：主，次版本号是否在当前虚拟机处理的范围之内。常量池中是否有不被支持的常量类型。指向常量的中的索引值是否存在不存在的常量或不符合类型的常量。
元数据验证：对字节码描述的信息进行语义的分析，分析是否符合java的语言语法的规范。
字节码验证：最重要的验证环节，分析数据流和控制，确定语义是合法的，符合逻辑的。主要的针对元数据验证后对方法体的验证。保证类方法在运行时不会有危害出现。
符号引用验证：主要是针对符号引用转换为直接引用的时候，是会延伸到第三解析阶段，主要去确定访问类型等涉及到引用的情况，主要是要保证引用一定会被访问到，不会出现类等无法访问的问题。

（2）准备：准备阶段是为类的静态变量分配内存并设置默认初始值，这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意：

这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在 Java 堆中。
这里所设置的初始值"通常情况"下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），比如我们定义了public static int value=111 ，那么 value 变量在准备阶段的初始值就是 0 而不是111（初始化阶段才会赋值）。特殊情况：比如给 value 变量加上了 fianl 关键字public static final int value=111 ，那么准备阶段 value 的值就被赋值为 111。

（3）解析：将类的二进制数据（存储在常量池）中的符号引用替换成直接引用。说明一下：符号引用：符号引用是以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何的字面形式的字面量，只要不会出现冲突能够定位到就行。布局和内存无关。直接引用：是指向目标的指针，偏移量或者能够直接定位的句柄。该引用是和内存中的布局有关的，并且一定加载进来的。

1.1.3 初始化

初始化是类加载的最后一步，也是真正执行类中定义的 Java 程序代码(字节码)，初始化阶段是执行类构造器方法的过程，即为类的静态变量赋予正确的初始值。对于构造方法的调用，虚拟机会自己确保其在多线程环境中的安全性。因为构造方法是带锁线程安全，所以在多线程环境下进行类初始化的话可能会引起死锁，并且这种死锁很难被发现。

ps：准备阶段和初始化阶段看似有点矛盾，其实是不矛盾的，如果类中有语句：private static int a = 10，它的执行过程是这样的，首先字节码文件被加载到内存后，先进行链接的验证这一步骤，验证通过后准备阶段，给a分配内存，因为变量a是static的，所以此时a等于int类型的默认初始值0，即a=0, 然后到解析（后面在说），到初始化这一步骤时，才把a的真正的值10赋给a,此时a=10。

1.2 卸载

卸载类即该类的Class对象被GC。卸载类需要满足3个要求:

该类的所有的实例对象都已被GC，也就是说堆不存在该类的实例对象。
该类没有在其他任何地方被引用
该类的类加载器的实例已被GC

所以，在JVM生命周期类，由jvm自带的类加载器加载的类是不会被卸载的。但是由我们自定义的类加载器加载的类是可能被卸载的。

只要想通一点就好了，jdk自带的BootstrapClassLoader,PlatformClassLoader,AppClassLoader负责加载jdk提供的类，所以它们(类加载器的实例)肯定不会被回收。而我们自定义的类加载器的实例是可以被回收的，所以使用我们自定义加载器加载的类是可以被卸载掉的。

2.类与类加载器

类加载器负责加载所有的类，其为所有被载入内存中的类生成一个java.lang.Class实例对象。一旦一个类被加载如JVM中，同一个类就不会被再次载入了。正如一个对象有一个唯一的标识一样，一个载入JVM的类也有一个唯一的标识。在Java中，一个类用其全限定类名（包括包名和类名）作为标识；但在JVM中，一个类用其全限定类名和其类加载器作为其唯一标识。例如，如果在pg的包中有一个名为Person的类，被类加载器ClassLoader的实例kl负责加载，则该Person类对应的Class对象在JVM中表示为(Person.pg.kl)。这意味着两个类加载器加载的同名类：（Person.pg.kl）和（Person.pg.kl2）是不同的、它们所加载的类也是完全不同、互不兼容的。

ps：限定类名，就是类名全称，带包路径的用点隔开，例如: java.lang.String，非限定类名是相对于限定类名来说的，在Java中有很多类，不同的类之间会存在相同的函数或者方法，所以有时候就需要限定类名来调包。而如果不存在相同的函数或者方法，就可以使用非限定(non-qualified)类名。

2.1类加载器分类

JVM预定义有三种类加载器，当一个 JVM启动的时候，Java开始使用如下三种类加载器：

启动类加载器/根加载器（Bootstrap ClassLoader）：它用来加载 Java 的核心类，是用原生代码来实现的，并不继承自 java.lang.ClassLoader（负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类）。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节，开发者无法直接获取到启动类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作。
ExtensionClassLoader(扩展类加载器) ：它负责加载JRE的扩展目录，lib/ext或者由java.ext.dirs系统属性指定的目录中的JAR包的类。由Java语言实现，父类加载器为null。
AppClassLoader(应用程序/系统类加载器) ：面向用户的加载器，负责加载当前应用classpath下的所有jar包和类，一般来说，Java 应用的类都是由它来完成加载的。程序可以通过ClassLoader的静态方法getSystemClassLoader()来获取系统类加载器。如果没有特别指定，则用户自定义的类加载器都以此类加载器作为父加载器。由Java语言实现，父类加载器为ExtClassLoader。
用户自定义类加载器：通过继承 java.lang.ClassLoader类的方式实现。

2.2双亲委派模型

2.2.1 类加载机制

JVM的类加载机制主要有如下3种：

全盘负责：所谓全盘负责，就是当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖和引用其他Class也将由该类加载器负责载入，除非显示使用另外一个类加载器来载入。
双亲委派：所谓的双亲委派，则是先让父类加载器试图加载该Class，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类。通俗的讲，就是某个特定的类加载器在接到加载类的请求时，首先将加载任务委托给父加载器，依次递归，如果父加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。
缓存机制。缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区中搜寻该Class，只有当缓存区中不存在该Class对象时，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象，存入缓冲区中。这就是为很么修改了Class后，必须重新启动JVM，程序所做的修改才会生效的原因。

应用程序是由三种类加载器互相配合从而实现类加载，除此之外还可以加入自己定义的类加载器。

下图展示了类加载器之间的层次关系，称为双亲委派模型（Parents Delegation Model）。该模型要求除了顶层的启动类加载器外，其它的类加载器都要有自己的【父加载器】。这里的父子关系一般通过组合关系（Composition）来实现，而不是继承关系（Inheritance）。

双亲委派模型

2.2.2 双亲委派机制工作流程

一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一层的类加载器都是如此，这样所有的加载请求都会被传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载无法完成加载请求（它的搜索范围中没找到所需的类）时，子加载器才会尝试去加载类。

总结：自底向上检查类是否被加载过，自顶向下尝试加载类。

（3）双亲委派模型优劣

优点：（1）保证安全（2）避免重复加载

首先，使得Java类随着它的类加载器一起具有一种带有优先级的层次关系，保证基础类的安全与统一，即核心API不被篡改。假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Integer，而直接返回已加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。
其次，保证java程序更加稳定，可以避免类的重复加载，确保一个类的全局唯一性。（jvm区分不同类的方式不仅仅根据类名，相同的类文件被不同的类加载器加载产生的是两个不同的类，两者不兼容）

存在的问题：。。。。

如何打破双亲委派机制?

ps：打破双亲委派机制则不仅要继承ClassLoader类，还要重写loadClass和findClass方法。

（4）具体实现

以下是抽象类 java.lang.ClassLoader的代码片段，其中的 loadClass() 方法运行过程如下：先检查类是否已经加载过，如果没有则让父类加载器去加载。当父类加载器加载失败时抛出 ClassNotFoundException，此时尝试自己去加载。

public abstract class ClassLoader {
    // The parent class loader for delegation
    private final ClassLoader parent;

    public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
    }

    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) {
                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.
                    c = findClass(name);
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
}

2.3 自定义类加载器

以下代码中的 FileSystemClassLoader是自定义类加载器，继承自 java.lang.ClassLoader，用于加载文件系统上的类。它首先根据类的全名在文件系统上查找类的字节代码文件（.class 文件），然后读取该文件内容，最后通过 defineClass() 方法来把这些字节代码转换成java.lang.Class 类的实例。

java.lang.ClassLoader 的 loadClass()实现了双亲委派模型的逻辑，自定义类加载器一般不去重写它，但是需要重写 findClass()方法。

public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader {

    private String rootDir;

    public FileSystemClassLoader(String rootDir) {
        this.rootDir = rootDir;
    }

    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = getClassData(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }

    private byte[] getClassData(String className) {
        String path = classNameToPath(className);
        try {
            InputStream ins = new FileInputStream(path);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int bufferSize = 4096;
            byte[] buffer = new byte[bufferSize];
            int bytesNumRead;
            while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, bytesNumRead);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    private String classNameToPath(String className) {
        return rootDir + File.separatorChar
                + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
    }
}

3.类加载时机

主要包括类的创建（new或者反射），访问（静态变量或者静态方法），初始化一个类的子类和标明启动类。

创建类的实例，也就是new一个对象
反射（Class.forName("com.it.load")）
访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
调用类的静态方法
初始化一个类的子类（会首先初始化子类的父类）
JVM启动时标明的启动类，即文件名和类名相同的那个类

除此之外，下面几种情形需要特别指出：

对于一个final类型的静态变量，如果该变量的值在编译时就可以确定下来，那么这个变量相当于“宏变量”。Java编译器会在编译时直接把这个变量出现的地方替换成它的值，因此即使程序使用该静态变量，也不会导致该类的初始化。反之，如果final类型的静态Field的值不能在编译时确定下来，则必须等到运行时才可以确定该变量的值，如果通过该类来访问它的静态变量，则会导致该类被初始化。

拓展

主动引用：对于初始化阶段，虚拟机严格规范了有且只有5种情况下，必须对类进行初始化(只有主动去使用类才会初始化类)：

1）当遇到 new 、 getstatic、putstatic或invokestatic 这4条直接码指令时，比如 new 一个类，读取一个静态字段(未被 final 修饰)、或调用一个类的静态方法时。

当jvm执行new指令时会初始化类。即当程序创建一个类的实例对象。
当jvm执行getstatic指令时会初始化类。即程序访问类的静态变量(不是静态常量，常量会被加载到运行时常量池)。
当jvm执行putstatic指令时会初始化类。即程序给类的静态变量赋值。
当jvm执行invokestatic指令时会初始化类。即程序调用类的静态方法。

2）使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用时如Class.forname("..."),newInstance()等等。，如果类没初始化，需要触发其初始化。

3）初始化一个类，如果其父类还未初始化，则先触发该父类的初始化。

4）当虚拟机启动时，用户需要定义一个要执行的主类 (包含 main 方法的那个类)，虚拟机会先初始化这个类。

5）MethodHandle和VarHandle可以看作是轻量级的反射调用机制，而要想使用这2个调用，就必须先使用findStaticVarHandle来初始化要调用的类。

被动引用：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。被动引用的常见例子包括：

1）通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。

System.out.println(SubClass.value);  // value 字段在 SuperClass 中定义

2）通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。该过程会对数组类进行初始化，数组类是一个由虚拟机自动生成的、直接继承自 Object 的子类，其中包含了数组的属性和方法。

SuperClass[] sca = new SuperClass[10];

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到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。

System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);

6.参考

https://github.com/CyC2018/CS-Notes
https://github.com/Snailclimb/JavaGuide
https://blog.csdn.net/m0_38075425/article/details/81627349