深入理解Java Class加载机制

1. 前言

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语言中，类型的加载和连接过程都是在程序运行期间完成的，Java中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。
类从被加载到虚拟机内存开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括了：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。其中验证、准备和解析称为连接。Class只有在必须要使用的时候才会被装载，Java虚拟机不会无条件装载Class类型。一个类或接口在初始使用时，必须被初始化，这里的使用是指主动使用。主动使用只有以下几种情况：

• 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有过初始化，则需要先触发其初始化。
• 使用java.lang.reflect包的方法对类进行发射调用的时候，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，用户需要制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。

2. 类加载的过程

2.1 加载

在加载过程，虚拟机完成以下三件事情：

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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口。

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，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未定义此区域的具体数据结构。然后在Java堆中实例化一个java.lang.Class类的对象，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。

2.2 验证

验证是为了确保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。虚拟机会完成文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证这4个阶段的验证过程。

2.3 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，这些内存都将在方法区中进行分配。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。

2.4 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。符号引用以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，引用的目标不一定已经加载到内存中。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。直接引用是与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。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号引用进行，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref__info以及CONSTANT_InterfaceMethodref_info四类常量类型。

2.5 初始化

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，则是根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者可以从另外一个角度表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>() 方法的过程。关于<clinit> 有几点要说明一下：

1. <clinit>() 由编译器自动收集类中的所有变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并而产生的，编译器收集的顺序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，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块中可以赋值，但不能访问。
2. <clinit>() 与类的构造函数不同，它不需要显式调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>() 方法执行之前，父类的<clinit>() 已经执行完毕，因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>() 方法的类是java.lang.Object。
3. 由于父类的<clinit>() 会先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。
4. <clinit>() 对于类或接口不是必须的，如果一个类中没有静态语句块，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<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被使用时，父接口才会被初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>() 方法。
6. 虚拟机会保证一个类的<clinit>() 会在多线程环境中被正确加锁和同步，如果多个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。如果一个类的<clinit>() 有耗时较长的操作，那么可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往很隐蔽。

3. 类加载器

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。即可这两个类来源于一个Class文件，如果加载他们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。
绝大部分Java程序都会使用3种系统提供的类加载器：

• 启动类加载器
• 扩展类加载器
• 应用程序类加载器

这些类加载器之间的关系一般如图所示：

这种层次关系一般称为类加载器的双亲委派模型。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，都需要由自己的父类加载器。这些类加载器之间的父子关系一般会以组合关系来复用父加载器的代码。
双亲委派模型的工作过程：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都应该传送到顶层的启动类加载器，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。
双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作很重要，但它的实现却非常简单，实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中。

参考资料

《深入理解Java虚拟机》