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。

2 类加载的时机

        类被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存位置，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7个阶段。其中，验证、准备和解析3个部分统称为链接。

        其中，加载、验证、准备、初始化和卸载着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的开始，而解析过程不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后在开始，这是为了直接Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。这是说的是按部就班的开始，而不是按部就班的完成或进行，强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用、激活另一个阶段。

        有且只有5中情况必须立即对类进行”初始化“（而加载、验证、准备自然需要再次之前开始）：

        1）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。

        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（包括main()方法的那个类），虚拟机需要先初始化这个类。

        5）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，并且这个方法对应的类还没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

        对于这5类会触发类进行初始化的场景，虚拟机规范使用了一个很强烈的限定语：”有且只有“，这5中场景中的行为成为对一个累的主动引用。除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，成为被动引用。下面三个例子说明如何被动引用。

        上面的例子，只会输出”SuperClass init“，而不会输出”SubClass init！“。对于静态字段，只有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。

        没有输出”ConstClass init“，这是因为虽然在Java源码中引用了ConstClass类中的常量HELLOWORLD，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“存储到了NotInitializtion类的常量池中，以后NotInitialization对常量ConstClass.HELLOWORLD的引用实际都被转化为NotInitialzation类对自身常量池的引用了。也就是说，实际上NotInitialzation的Class文件之中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译成Class之后就不存在任何联系了。

        类和接口真正有所区别的是：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是接口在初始化时，并不要求其父接口全部都已经完成了初始化，只有在真正用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

3 类加载的过程

3.1 加载

        在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事：

        1）通过一个类的全限定名开获取定义此类的二进制字节流。

        2）将这个字节流所代表的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接口。

        对于数组而言，情况就有所不同，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型最终要靠类加载器去创建，一个数组类的创建过程遵循以下规则：

        1）如果数组的组件类型是引用类类型，那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组C将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识。

        2）如果数组的组件类型不是应用类型（int[]），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联。

        3）数组类的课件性与它的组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组类的可见性将默认为public。

        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（并没有明确规定在Java堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，他虽然是对象，但是存放在方法区里面），这个对象将作为程序访问方法区中的这些数据类型的外部接口。

加载过程和连接阶段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了，这两个阶段的开始时间仍然保持着笃定的先后顺序。

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文件的字节流包含信息符合虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。

        验证阶段大致上会完成如下四个节段的检验动作：文件格式的验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

        1、文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能够被当前版本的虚拟机处理。

        2、元数据验证：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。

        3、字节码验证：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。对类的方法体就行校验分析，保证方法在运行时安全。

        4、符号引用验证：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阶段——解析阶段中发生。

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进行分配。首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量（被STATIC修饰过的变量），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。变量的真正赋值是在putstatic指令被程序编译后，存在于类构造器的<clinit>()方法之中，然后赋值的动作将会在初始化阶段执行。

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：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，只要使用时无歧义的定位到目标即可。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：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。直接引用和虚拟机的实现的内存布局有关的，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内存中存在。

        虚拟机规范之中并未规定解析阶段发生的具体实现。所以虚拟机实现可以根据需要来判断到底是在类被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。

        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七类符号引用进行。

3.5 初始化

        类初始化阶段是类加载过程的最后一步。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，则根据程序员的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

4、类加载器

        虚拟机团队吧类加载阶段中的”通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流“这个动作放到了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”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立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器都有一个独立的类名称空间。通俗一些：两个类是否”相等“，只有在这两个类由同一个类加载器的前提下才有意义。

4.2 双亲委派模型

        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；另一种就是所有其它的类加载器，这个类加载器都是有Java语言实现的，独立于虚拟机外部，并且全部都继承抽象类java.lang.ClassLoader。

        从Java开发人员的角度来看，类加载器还可以划分的更细一点：

        1）启动类加载器：负责将存在<JAVA_HOME>\lib目录中，并且是虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存中。

        2）扩展类加载器：由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的类库。

        3）应用程序类加载库：由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现，它负责加载用户类路径上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器。

        我们应用程序都是这3中类加载器互相配合进行加载的。

        这种层次关系成为类加载器的双亲委派模型。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。一般不会以继承的关系来实现的，而是都是用组合的关系来服用父加载器的代码。

        工作过程：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，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，自加载器才会尝试自己去加载。

4.3 破坏双亲委派模型

        OSGI中对类加载器的使用。