深入理解JVM总结——虚拟机类加载机制

虚拟机类加载机制

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，最终形成可以直接被虚拟机使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。

什么时候加载完成的

Java中，类的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的。虽然会令类加载时稍微增加一些性能开销，但会为Java应用程序提供高度的灵活性。Java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。如面向接口的应用程序，可以等到运行时才指定其实际实现类。

对于Class文件

在实际情况中，每个class文件都可能代表Java语言中的一个类或接口。
文中， class文件并非特指某个存在于具体磁盘中的文件，应当是一串二进制的字节流，无论以任何形式存在都可以。

类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存开始，到卸载出内存为止，整个生命周期包括：加载，验证，准备，解析，初始化，使用和卸载7个阶段。其中，验证，准备和解析3个阶段被统称为连接。

其中，加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，必须按照这个顺序开始（不是进行或完成，因为这些阶段通常是相互交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用激活另外一个阶段）。而解析阶段不一定：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的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。
虚拟机严格规范了有且只有5种情况必须立即对类进行初始化（加载验证准备已开始）：
①遇到new ,getstatic,putstatic或invokestatic这4条字节码指令是，如果类没有进行过初始化，则先需要触发初始化。
—->场景：new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)，调用一个类的静态方法时。
②使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果没有进行过初始化则需要先触发初始化。
③当初始化一个类的时候，如发现其父类还没有初始化，则先触发器父类的初始化。
④当虚拟机启动时，用户需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。
⑤当使用JDK1.7的动态语言支持时，若一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic , REF_putStatic，REF_invokeStatic的方法句柄，且该方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
“有且只有这五种”“对一个类进行主动引用，其他的引用都不会触发初始化”
对于接口来说，也存在初始化过程。接口中不能使用static{}语句块，但编译器会为就接口生成类构造器，用于初始化接口中定义的成员变量。接口与类的真正有区别的是有且仅有的第三个：接口初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口（如引用父接口定义中的常量）的时候才会初始化。

类加载的过程

加载验证准备解析初始化。

加载

加载阶段，虚拟机完成三件事：
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。
–>非数组类的加载阶段是可控性最强的，可以自定义类加载器去控制字节流的获取方式（即重写一个类加载器的loadClass()方法）。
而数组类本身不通过类加载器创造，它是由Java虚拟机直接创建的，但它的元素类型最终是要靠类加载器去创建。
对于HotSpot而言，Class对象存在于方法区的。加载阶段与连接阶段的部分内容是交叉进行的，如验证。

验证

验证，连接的第一步，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，且不会危害虚拟机自身安全。
class文件并不一定要使用Java源码来编译，其他C#等都可以通过编译器生成class文件。
验证直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击，在类加载子系统中占据相当大的一部分。
验证大致完成4个阶段的检验动作：
文件格式验证：是否以魔数开头，主次版本号等..
元数据验证：对字节码描述信息进行分析，如是否有父类，是否抽象类等；
字节码验证：最复杂的一个阶段，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，合乎逻辑的。
符号引用验证：发生在虚拟机将符号引用转为直接引用的时候，在连接的第三个阶段——解析是发生。符号引用通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类….

准备

准备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在方法区进行分配。
变量初始值通常情况下是数据类型的零值。若是常量，则初始值就为该数值。
public static int value=123; value准备阶段初始值为0
public static final int value=123; value准备阶段初始值为123

解析

解析是虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。
符号引用：用一组符号来描述引用目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时无歧义即可。虚拟机实现的内存布局可以不相同，但所能接受的符号引用必须是一致的，因为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。
直接引用：可以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。直接引用和虚拟机实现的内存布局相关的。如果直接引用存在，那么引用的目标必定已经在内存中存在。
解析，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（后三种与JDK1.7动态语言支持有关）。

初始化（非常重要，可以明白static等的加载顺序）

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的过程除了加载过程用户可以自定义类加载器以外，其余的动作完全是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）。
初始化阶段执行类构造器()方法的过程。
①()方法由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并产生的。定义在静态语句块后面的静态变量，在静态块中可以赋值，但不能访问。

public class Test{    static{        i=0;//给变量赋值，可以正常通过编译        System.out.println(i);//编译器报错，提示非法向前引用    }    static int i=1;}

②()方法与类的构造函数或实例构造器不同，不需显示调用父类构造器，虚拟机会保证在子类类构造器方法执行之前，父类的类构造器方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的()方法的类肯定是java.lang.Object。
③由于父类的类构造器方法先执行，也意味着父类中定义的静态语句块先于子类的变量赋值操作。
④()方法对类或接口来说并不是必需的，如果类中无静态语句块，也没有变量赋值操作，就不会生成该方法；
⑤接口不能使用静态语句块，但仍旧有变量初始化赋值操作。因此接口和类一样也会生成()方法，但不需要先执行父接口的类构造器方法。只有当父接口中的变量使用时，父接口才会初始化。同时，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。
⑥虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确的加锁、同步。如果多线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行该方法，其他的都需要阻塞等待，直到该方法执行完毕。若该方法耗时很久，就可能造成多个进程阻塞。阻塞往往是很隐蔽的。
同一个类加载器下，一个类型只会初始化一次，因此阻塞之后其他线程不会再次进入()方法。

类加载器

类加载器，虚拟机加载阶段“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，以便让程序自己决定如何去获取所需要的类，其中这个动作的代码模块就称为“类加载器”。
最初是为满足Java Applet的需求，目前浏览器上该技术已“死掉”，但类层次划分、OSGi、热部署、代码加密等，类加载器大放异彩。

类与类加载器

任意一个类都需要类加载器和类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。
比较两个类是否相等，只有在这两个类来自同一个类加载器加载的情况下才可以比较是否相等，否则必定不相等。

双亲委派模型-JDK1.2引入

对Java虚拟机而言，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），使用C++实现，虚拟机自身的一部分；还有一种是所有其他的类加载器，由Java实现，独立于虚拟机外部，且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

//自定义类加载器ClassLoader myLoader=new ClassLoader(){    //重写loadClass函数    @override    public Class<?> loadClass(String name) throws Exception{        .......    }};

对于开发人员来说有三种：
启动类加载器，\lib中的或-Xbootclasspath指定路径下且被虚拟机识别（如rt.jar，java.lang.Object在该类中）的类库加载到虚拟机内存中。
扩展类加载器，\lib\ext中的或被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有的类库加载进虚拟机内存。
应用程序类加载器，由sum.misc.Launcher$AppClassLoader实现，该类加载器是ClassLoader的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以也称为系统类加载器。负责加载用户路径classpath上所指定的类库，可以直接使用。

类加载器双亲委派模型，类加载器的层次关系，如图所示。要求除了顶层的启动类加载器以外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。它们之间的父子关系不是以继承来实现的，而是都使用组合关系来复用父加载器的代码。
一个类加载器收到了加载请求，首先不会自己去尝试加载该类，而是把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传到了顶层的启动类加载器中，只有父类加载器反馈自己无法完成时，子类加载器才会尝试自己去加载。
好处：Java类随着类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，例如java.lang.Object，存在于rt.jar中，任何类加载器都得加载这个类。
如果没有使用这个模式的话，若用户自行编写java.lang.Object类，放在classpath中，系统将会出现多个不同的object类，会出现混乱。
双亲委派模型保证了Java程序的稳定运作，实现非常简单。代码集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中。

破坏双亲委派模型

双亲委派模型并非是一个强制性的约束模型。它很好的解决了各个类加载器的基础类统一问题（越基础的类由越上层的加载器进行加载）。
OSGi，Java模块化标准，它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。