JVM类加载机制

1、概述

当Java编译器编译好.class文件之后，我们需要使用JVM来运行这个class文件。那么最开始的工作就是要把字节码从磁盘输入到内存中，这个过程我们叫做【加载】。加载完成之后，我们就可以进行一系列的运行前准备工作了，比如：为类静态变量开辟空间，将常量池存放在方法区内存中并实现常量池地址解析，初始化类静态变量等等。

java类的生命周期

指一个class文件从加载到卸载的全过程。一个java类的完整的生命周期会经历

加载->链接（验证+准备+解析）->初始化（使用前的准备）->使用->卸载  五个阶段

1、加载：查找并加载类的二进制数据 
2、连接 
    –验证：确保被加载的类的正确性 
    –准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值 
    –解析：把类中的符号引用转换为直接引用 
3、初始化：为类的静态变量赋予正确的初始值 
     从上边我们可以看出类的静态变量赋了两回值。这是为什么呢？原因是，在连接过程中时为静态变量赋值为默认值，也就是说，只要是你定义了静态变量，不管你开始给没给它设置，我系统都为他初始化一个默认值。到了初始化过程，系统就检查是否用户定义静态变量时有没有给设置初始化值，如果有就把静态变量设置为用户自己设置的初始化值，如果没有还是让静态变量为初始化值。

2、加载

2.1 jvm加载类过程

当我们使用命令来执行某一个Java程序(比如Test.class)的时候：Java Test
(1) java.exe 会帮助我们找到JRE ，接着找到位于JRE内部的 jvm.dll ，这才是真正的Java虚拟机器 , 最后加载动态库，激活Java虚拟机器。
(2) 虚拟机器激活以后，会先做一些初始化的动作，比如说读取系统参数等。一旦初始化动作完成之后，就会产生第一个类装载器 ―― Bootstrap Loader(启动类装载器 ) 。
(3) Bootstrap Loader所做的初始工作中，除了一些基本的初始化动作之外，最重要的就是加载 Launcher.java 之中的 ExtClassLoader(扩展类装载器) ,并设定其 Parent为null,代表其父加载器为 BootstrapLoader 。
(4) 然后Bootstrap Loader再要求加载 Launcher.java之中的 AppClassLoader(用户自定义类装载器 ) ，并设定其 Parent为之前产生的 ExtClassLoader 实体。这两个加载器都是以静态类的形式存在的。
这里要请大家注意的是,Launcher$ExtClassLoader.class 与 Launcher$AppClassLoader.class 都是由Bootstrap Loader所加载，所以Parent和由哪个类加载器加载没有关系。 

2.2类加载器体系结构

JVM加载class文件必须通过一个叫做类装载器的程序，它的作用就是从磁盘文件中将要运行代码的字节码流加载进内存(JVM管理的方法区)中。

(1).BootStrap ClassLoader：启动类加载器，负责加载存放在%JAVA_HOME%\lib目录中的，或者通被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且被java虚拟机识别的(仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库，即使放在指定路径中也不会被加载)类库到虚拟机的内存中，启动类加载器无法被java程序直接引用。
(2).Extension ClassLoader：扩展类加载器，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，负责加载%JAVA_HOME%\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
(3).Application ClassLoader：应用程序类加载器，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现，负责加载用户类路径classpath上所指定的类库，是类加载器ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，开发者可以直接使用应用程序类加载器，如果程序中没有自定义过类加载器，该加载器就是程序中默认的类加载器。
注意：上述三个JDK提供的类加载器虽然是父子类加载器关系，但是没有使用继承，而是使用了组合关系。
从JDK1.2开始，java虚拟机规范推荐开发者使用双亲委派模式(ParentsDelegation Model)进行类加载，其加载过程如下：
(1).如果一个类加载器收到了类加载请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器去完成。
(2).每一层的类加载器都把类加载请求委派给父类加载器，直到所有的类加载请求都应该传递给顶层的启动类加载器。
(3).如果顶层的启动类加载器无法完成加载请求，子类加载器尝试去加载，如果连最初发起类加载请求的类加载器也无法完成加载请求时，将会抛出ClassNotFoundException，而不再调用其子类加载器去进行类加载。

2.3类加载器的加载顺序

JVM并不是把所有的类一次性全部加载到JVM中的，也不是每次用到一个类的时候都去查找，对于JVM级别的类加载器在启动时就会把默认的JAVA_HOME/lib里的class文件加载到JVM中，因为这些是系统常用的类，对于其他的第三方类，则采用用到时就去找，找到了就缓存起来的，下次再用到这个类的时候就可以直接用缓存起来的类对象了。

2.4 加载阶段完成任务

在加载阶段，java虚拟机需要完成以下3件事：
a.通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
b.将定义类的二进制字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构。
c.在java堆中生成一个代表该类的java.lang.Class对象，作为方法区数据的访问入口。

3、连接

类被加载后，就进入连接阶段。连接就是将已经读入到内存的类的二进制数据合并到虚拟机的运行时环境中去。

3.1验证

验证：当一个类被加载之后，必须要验证一下这个类是否合法,即是确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，比如这个类是不是符合字节码的格式、变量与方法是不是有重复、数据类型是不是有效、继承与实现是否合乎标准等等。总之，这个阶段的目的就是保证加载的类是能够被jvm所运行。很多人都感觉，既然这个类都通过编译加载到内存里了，那肯定就是合法的了，为什么还要验证呢，这是因为这里的验证时为了避免有人恶意编写class文件，也就是说并不是通过编译得到的class文件。所以这里验证其实是检查的class文件的内部结构是否符合字节码的要求。

检验主要经历几个步骤：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：验证字节流是否符合Class文件格式的规范并 验证其版本是否能被当前的jvm版本所处理。ok没问题后，字节流就可以进入内存的方法区进行保存了。

后面的3个校验都是在方法区进行的。

元数据验证：对字节码描述的信息进行语义化分析，保证其描述的内容符合java语言的语法规范。

字节码检验：最复杂，对方法体的内容进行检验，保证其在运行时不会作出什么出格的事来。

符号引用验证：来验证一些引用的真实性与可行性，比如代码里面引了其他类，这里就要去检测一下那些来究竟是否存在；或者说代码中访问了其他类的一些属性，这里就对那些属性的可以访问行进行了检验。（这一步将为后面的解析工作打下基础）

3.2准备
准备：准备阶段的工作就是为类的静态变量分配内存并设为jvm默认的初值，这些变量所使用的内存在方法区中进行分配,对于非静态的变量，则不会为它们分配内存。有一点需要注意，这时候，静态变量的初值为jvm默认的初值，而不是我们在程序中设定的初值。jvm默认的初值是这样的：
基本类型（int、long、short、char、byte、boolean、float、double）的默认值为0。
引用类型的默认值为null。
常量的默认值为我们程序中设定的值，比如我们在程序中定义final static int a = 100，则准备阶段中a的初值就是100。

3.3解析
解析：这一阶段的任务就是把常量池中的符号引用转换为直接引用。

那么什么是符号引用，什么又是直接引用呢？

我们来举个例子：我们要找一个人，我们现有的信息是这个人的身份证号是1234567890。只有这个信息我们显然找不到这个人，但是通过公安局的身份系统，我们输入1234567890这个号之后，就会得到它的全部信息：比如山东省滨州市滨城区18号张三，通过这个信息我们就能找到这个人了。这里，123456790就好比是一个符号引用，而山东省滨州市滨城区18号张三就是直接引用。在内存中也是一样，比如我们要在内存中找一个类里面的一个叫做show的方法，显然是找不到。但是在解析阶段，jvm就会把show这个名字转换为指向方法区的的一块内存地址，比如c17164，通过c17164就可以找到show这个方法具体分配在内存的哪一个区域了。这里show就是符号引用，而c17164就是直接引用。在解析阶段，jvm会将所有的类或接口名、字段名、方法名转换为具体的内存地址。

 

连接阶段完成之后会根据使用的情况（直接引用还是被动引用）来选择是否对类进行初始化。

4、初始化
如果一个类被直接引用，就会触发类的初始化。在java中，直接引用的情况有:

什么时候要对类进行初始化工作（加载+链接在此之前已经完成了），jvm有严格的规定（五种情况）：
1.遇到new，getstatic，putstatic，invokestatic这4条字节码指令时，假如类还没进行初始化，则马上对其进行初始化工作。其实就是3种情况：用new实例化一个类时、读取或者设置类的静态字段时（不包括被final修饰的静态字段，因为他们已经被塞进常量池了）、以及执行静态方法的时候。
2.使用java.lang.reflect.*的方法对类进行反射调用的时候，如果类还没有进行过初始化，马上对其进行。
3.初始化一个类的时候，如果他的父亲还没有被初始化，则先去初始化其父亲。
4.当jvm启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含static void main(String[] args)的那个类），则jvm会先去初始化这个类。
5.用Class.forName(String className);来加载类的时候，也会执行初始化动作。注意:ClassLoader的loadClass(String className);方法只会加载并编译某类，并不会对其执行初始化。

类的初始化过程是这样的：按照顺序自上而下运行类中的变量赋值语句和静态语句，如果有父类，则首先按照顺序运行父类中的变量赋值语句和静态语句。