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，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。

        在Java语言中，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是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。

        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）这7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接，如下图所示。

                                

从图中可以看出，加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序都是确定的，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，只是为了支持Java语言的运行时绑定。注意，这里的按部就班地“开始”，而不是按部就班地“进行”或“完成”，强调这一点是因为这些阶段通常都是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。

        接下来我们来详细简介下Java虚拟机的类加载全过程。

1.加载

        “加载”是“类加载”过程的一个阶段。在加载阶段，虚拟机需要完成以下3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访问入口。

         相对于类加载过程的其他阶段，一个非数组类的加载阶段（获取类的二进制字节流的动作）是开发人员可控制性最前的，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员可以 通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方法。

        对于数组而言，情况就有所不同。数组本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建。但是数组类与类加载器仍有密切关系，因为数组类的元素类型是要靠类加载器去创建。

         加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，方法区的数据存储格式是由虚拟机实现自行定义。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象（对于HotSpot而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区中），这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。

        加载阶段与连接阶段（如字节码文件格式验证）的部分内容是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，这两阶段的开始时间仍保持着固定的先后顺序。

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。验证阶段是非常重要的，这个阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击，从执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中又占了相当大的一部分。从整体上看，验证阶段大致上会完成4个阶段的校验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

2.1文件格式验证

        第一阶段要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。这一阶段的可能包括以下验证：①是否以魔数0xCAFEBABE开头。②主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。③常量池的常量中是否有不被支持的常量类型。等等。

        这一验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。

2.2元数据验证

        第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求，这个阶段可能包括的验证点如下：①这个类是否有父类②这个类的父类是否继承了不允许被继承的类③如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法④类中的字段、方法是否与父类产生矛盾。等等。

        第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

2.3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做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，保证被检验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件，例如：①保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列能配合工作②保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。等等。

        如果一个类方法体的字节码没有通过字节码验证，那肯定是有问题的；但如果一个方法体通过了字节码验证，也不能说明其一定是安全的，这里涉及了离散数学中一个著名的问题“Halting Problem”。在JDK1.7之后，对于主版本号大于50的Class文件，使用类型检查来完成数据流分析校验则是唯一的选择，不允许再退回到类型推导的校验方式。

2.4符号引用验证

        最后一个阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三个阶段--解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外的信息进行匹配性校验，通常校验以下内容：①符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类②在指定类中是否存在复核方法的字段描述的全限定名是否能找到对应的类。等等。

        符号引用验证的目的是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.IncompatibleClassChangeError异常的子类。

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进行分配。这里需要强调两个容易混淆的概念：这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量）而不是实例变量，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 = 100；

那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是100，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为100的putstatic指令时在程序被编译后，存放在类构造器<clinit>()方法中。所以把value赋值为100的动作将在初始化阶段才执行。下面是Java中所有基本数据类型的零值。

 数据类型零值int0long0Lshort(short)0char'\u0000'(空格)byte(byte)0booleanfalsefloat0.0fdouble0.0dreferencenull        上面提到，在通常情况下初始值是零值，但有一些特殊情况：如果类字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，假设上面类变量value的定义变为：

          public static final int value = 100;

编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value复制为100。

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文件中以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_ino、CONSTANT_Methodref_info等常量出现。在解析阶段中，直接引用与符号引用有什么关联呢？

符号引用：符号引用以自娱符号来描述引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存无关，引用的目标并不一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但它们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：直接引用可以是直接指向目标的指针。相对偏移量或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相同。如果用了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

        虚拟机规范中并未规定解析阶段发生的具体时间，只要求在执行 anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield和putstatic这16个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用的符号引用进行解析。所以虚拟机实现可以根据需要来判断到底是在类加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析，还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它。

        对同一个符号引用进行多次解析请求很常见的事，除invokedynamic指令之外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标识为已解析状态）从而避免解析动作重复进行。无论是否真正执行了多次解析动作，虚拟机需要保证的是在同一个实体中，如果一个符号引用之前已经被成功解析过，那么后续的引用解析请求就应当一直成功；同样，如果第一次解析失败了，那么其他指令对这个符号的解析请求也应该收到相同的异常。

        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_info7种常量类型。

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之外，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。

        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定制的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。下面我们来讲解下<clinit>()方法执行过程中一些可能会影响到程序运行行为的特点和细节。

（1）<clinit>()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，静态语句块中智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，但不能访问。如下面例子所示。

public class StaticTest {static{i = 2;//给变量赋值可以正常编译通过System.out.println(i);//这句编译器会提示“非法向前引用”}static int i = 1;}

（2）<clinit>()方法与类的构造函数（或者说实例构造器<init>()方法）不同，它不需要显示调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法肯定是java.lang.Object。

（3）由于父类的<clinit>()方法先执行，也就意味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 = 3;static {a = 5;}}static class Sub extends Parent{public static int b = a;}public static void main(String[] args) {System.out.println(Sub.b);//输出5}

（4）<clinit>()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，也就没有对变量进行的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法。

（5）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<clinit>()方法。但接口与类不同的是，执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()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。另外，接口的实现类在初始化阶段时也一样不会执行接口中的<clinit>()方法。

（6）虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁、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这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。

        在初始化阶段，虚拟机规范严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行初始化：

1）遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic者4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则先触发其初始化。生成这4条指令最常见的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和调用一个类的静态字段。

2）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。

3）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

4）当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类，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，如果一个java.lang.invokeMethodHandle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。

        这5种场景中的行为称为对一个类进行主动引用，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。下面举2个例子来说明何为被动引用

public class NotInit {public static void main(String[] args) {System.out.println(SubClass.value);}private static class SuperClass {static {System.out.println("SuperClass");}protected static int value = 123;}private static class SubClass extends SuperClass {static {System.out.println("SubClass");}}}

上述代码运行的结果输出"SuperClass"和"123"而不会输出“SubClass”。对于静态字段，直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。

public class ConstClass {static{System.out.println("ConstClass");}public static final String HELLO_WORLD = "hello world";}public class NotInit {public static void main(String[] args) {System.out.println(ConstClass.HELLO_WORLD);}}

上述代码运行后，没有输出ConstClass。虽然在Java源码中引用了ConstClass类中的常量HELLO_WORLD，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值“hello world”存储到NotInit的常量池中，以后NotInit对常量ConstClass.HELLO_WORLD的引用引用实际被转化为NotInit类对自身常量池的引用了。

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”这个动作放在Java虚拟机外部去实现，以便让引用程序自己决定如何取获取所需的类。实现这个动作方法的代码模块称为"类加载器"。类加载器可以说是Java语言的一项创新，也是Java语言流行的重要原因之一，它成为Java体系中一块重要的基石。

        类加载器虽然只用于实现类的加载动作，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定其在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。这句话通俗的讲：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，即使这两个类来自同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载他们的类加载器不同，这两个类就必定不相等。

        这里所指的“相等”，包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssingableFrom()方法、isInstance()方法返回的结果、使用instanceof关键字做对象所属关系判断等情况。下面代码演示不同类加载器对instanceof关键字运算的结果影响。

package com.mydemo.test;import java.io.IOException;import java.io.InputStream;public class ClassLoaderTest {public static void main(String[] args) {ClassLoader classLoader = new ClassLoader() {@Overridepublic Class<?> loadClass(String name)throws ClassNotFoundException {try {String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1)+ ".class";InputStream inputStream = getClass().getResourceAsStream(fileName);if (inputStream == null) {return super.loadClass(name);}byte[] b = new byte[inputStream.available()];inputStream.read(b);return defineClass(name, b, 0, b.length);} catch (IOException e) {throw new ClassNotFoundException(name);}}};try {Object object = classLoader.loadClass("com.mydemo.test.ClassLoaderTest").newInstance();System.out.println(object.getClass());System.out.println(object instanceof com.mydemo.test.ClassLoaderTest);} catch (InstantiationException e) {e.printStackTrace();} catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();} catch (ClassNotFoundException e) {e.printStackTrace();}}}

运行的结果为：
class com.mydemo.test.ClassLoaderTest
false

从运行结果可看出，虽然类加载器加载字节码文件都来自同一个Class文件，但一个是由系统应用程序类加载器加载的，一个是我们自己定义的类加载器加载的。所以依然是两个独立的类，做对象所属类型检查时结果自然为false。

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，并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

        下图显示了类加载器之间的的层次关系--双亲委派模型。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系实现，而是使用组合关系来复用父类关系代码。

                                                                                     

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中或被-Xbootclasspath参数所指定的路径中，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用类加载器，那直接使用null代替即可。

扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个类加载器负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录或者被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）：这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般称为系统加载器。它负责加载用户类路径上所指定的类库，开发者可以或字节使用这个类加载器。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是：如果一个类加载器收到类加载的请求，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应该传送到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时，子加载器才会尝试自己去加载。

        使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，好处就是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。如java.lang.Object，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。同时，双亲委派模型对于保证Java程序稳定运作很重要。