（八）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。
与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同，在Java语言里面，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的，这种策略虽然会令类加载时稍微增加一些性能开销，但是会为 Java应用程序提供高度的灵活性，Java里天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。

2.类加载的时机（类的生命周期）
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、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载这7个阶段。其中，验证、准备和解析这3个部分统称为连接。

类的生命周期.png

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）。
什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段：加载？Java虚拟机规范并没有对此作出强制约束。但是对于初始化阶段阶段，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”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

• 遇到new、getstatic、putstatic或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、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、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，用户需要指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有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

3.类加载过程
接下来我们将详细讲解一下Java虚拟机中类加载的全过程，也就是加载、验证、准备、解析和初始化这5个阶段所执行的具体动作。
3.1.加载
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；
• 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。

注意：相对于类加载过程的其他阶段，一个非数组类的加载阶段使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来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成。对于数组类而言，情况有所不同，数组类本身不通过类加载器创建，它由Java虚拟机直接创建。但数组类与类加载器仍然密切相关，因为数组类的元素类型最终是要靠类加载器去创建的。一个数组类创建过程遵循以下的原则：

• 如果数组的元素类型是引用类型，那就递归加载过程去加载这个元素类型，数组将在加载该元素类型的类加载器的类名称空间上被标识。
• 如果数组的元素类型不是引用类型（例如int[]数组），Java虚拟机将会把数组标记为与引导类加载器关联。
• 数组类的可见性与它的元素类型的可见性一致，如果元素类型不是引用类型，那数组类的可见性将默认为public。

3.2.验证
验证是连接阶段的第一步，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。
验证阶段包括以下4个阶段的校验动作：

• 文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。
• 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析，保证其描述的信息符合Java语言规范。
• 字节码验证：主要目的是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：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.IncompatibleClassChangeErroe异常的子类，如java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

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分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先，这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。其次，这里所说的初始值“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;那变量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执行任何Java方法，而把value赋值为123的putstatic指令时程序被编译后，存放在类构造器()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。

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，符号引用在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现。那么在解析阶段中所说的直接引用和符号引用又有什么关联呢？

• 符合引用（Symbolic References）：符号引用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（Direct References）：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。直接引用是和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内存中存在。

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定符7类符号引用进行，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info这7种常量类型。

3.5.初始化
类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外，其余动作完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管计划去初始化类变量和其他资源，或者可以从另一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。

• ()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，定义在静态语句块之后的变量可以赋值，但是不能访问。
• ()方法与类的构造函数()方法不同，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，意味着父类中定义的静态语句块（static{}块）要优先于子类的变量赋值操作。以下代码中，字段B的值将会是2而不是1。

public class Test {
    static class SuperClass{
        public static int A =1;
        static {
            A = 2;
        }
    }
    static class SubClass extends SuperClass{
        public static int B = A;
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.B);
    }
}

• ()方法对于类或接口来说并不是必须的，如果一个类中没有静态语句块（static{}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。
• 接口中不能只用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口和类一样都会生成()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。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。
• 虚拟机会保证一个类的 ()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个现场 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，其他现场都需要阻塞等待，直到活动线程执行()方法完毕。

4.类加载器
虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类，实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。
4.1.类与类加载器
类加载器虽然只用于实现类的家在动作，但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。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其在Java虚拟机的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。这句话通俗点表示为：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。
4.2.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，并且都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）
  这个类加载器负责将存放在\lib目录中或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的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，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，那直接使用null代替即可。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）
  这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载\lib\ext目录中的或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
• 应用程序类加载器（Application ClassLoader）
  这个加载器由sun.misc.Launcher$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默认的类加载器。

类加载器双亲委派模型.png

类加载器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送到顶层的启动类夹在其中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，子加载器 才会自己尝试去加载。

4.3.破坏双亲委派模型
双亲委派模型的3次较大规模的“被破坏”情况：

• 第一次“被破坏”
  发生在双亲委派模型出现之前，即JDK1.2版本发布之前。为了向前兼容，在java.lang.ClassLoader添加了一个新的protected方法findClass()。
• 第二次“被破坏”
  由双亲委派模型自身的缺陷所导致的。如启动类加载器无法识别JNDI接口提供者（SPI,Service Provide Interface）的代码。为了解决类似的问题，引进了 线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader()方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。
• 第三次“被破坏”
  由于用户对程序动态性的追求而导致的。例如，目前OSGI已成为业界事实上的Java模块化标准，而OSGI实现模块化热部署的关键则是它自定义的类加载器机制的实现。每一个程序模块（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。