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、转换分析和初始化，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，类的加载、连接、初始化过程都是在程序运行期完成的，这种策略会使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是天生可以动态扩展语言特性就是依赖运行期间动态加载和动态连接这个特点实现的

类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期如下图所示：

如上图，其中类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中，加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的，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开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

虚拟机规范严格规定了有且只有5种情况必须对类进行“初始化”，当然初始化前的三个阶段（加载、验证、准备）就必须在此之前开始执行了。关于这5种必须初始化的场景如下（P263）：

遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有初始化，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
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
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为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic四种类型的方法句柄，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
当一个接口种定义了JDK8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化

对于这五种会触发类进行初始化的场景，称为对一个类进行主动引用，除此之外，所有引用类的方法都不会触发初始化，称为被动引用（具体例子可查看P264）：

通过子类引用父类的静态变量，不会导致子类初始化
通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化
调用类的常量不会被初始化(static final)

接口的加载过程与类加载过程稍有不同，针对接口需要做一些特殊说明。编译器仍然会为接口生成<client>()类构造器，接口与类真正有所区别的是前面讲述的6种触发初始化场景中的第三种：当一个类初始化时，要求其父类全部都已经初始化了，但是一个接口在初始化时，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的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

类加载的过程

加载

加载是类加载的一个阶段。在加载阶段，虚拟机需要完成三件事情：

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
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。方法区是共享区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据
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。在Java内存中实例化一个java.lang.Class类的对象(并没有明确是在java堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，虽然是对象，但是存放在方法区中)，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段（准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

对于任意一个类，都需要由它的类加载器和这个类本身一同确定其在就Java虚拟机中的唯一性，也就是说，即使两个类来源于同一个Class文件，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

这里的“相等”包括了代表类的Class对象的equals（）、isAssignableFrom（）、isInstance（）等方法的返回结果，也包括了使用instanceof关键字对对象所属关系的判定结果

加载阶段与连接阶段(连接包括三步，看生命周期图)的部分内容（如一部分字节码文件格式验证动作）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，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序，也就是必须先加载才能验证。

验证

验证是连接的第一步，验证阶段目的是为了确保Class文件的字节流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。

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

如：是否以魔数0xCAFEBABE开头；主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围内；常量池的常量中是否有不被支持的常量类型（检查常量tag标志）；指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量；CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据; Class文件中各个部分及文件是否有被删除的或附加的其他信息…

验证步骤2、元数据验证
保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。
例如：这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）；这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）；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；类中的字段、方法是否与父类产生矛盾（例如覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的方法重载，例如方法参数都一致，但返回值类型却不同等）…

验证步骤3、字节码验证
字节码验证的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。然后，对类的方法体进行分析，保证被校验的类在运行时不会危害虚拟机安全。

例如：保证任意时刻操作栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现类似这样的情况：在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载如本地变量中；保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上；保证方法体中的类型转换是有效的；“字节码验证”是整个验证阶段最消耗时间的，虽然如此但也不能保证绝对安全。

验证步骤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。
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；在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段；在符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可被当前类访问；如果我们代码无法通过符号验证，例如根据全限定名无法找到对应的类，会抛出noSuchClass异常。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存设置类变量初始化值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下。首先，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，假设一个类变量的定义为：public static int value = 123；那变量value在准备阶段过后的初始化值为0而不是123，因为这是尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后存放在类构造器()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。以下表格列出了所有基本数据类型的零值：

上面提到的在“通常情况”下初始值为零值，但还是会有一些特殊情况，如下：

1	public static final int value = 123；

类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性（有final修饰的字段），那在准备阶段变量value就会被初始化微ConstantValue属性所指定的值。编译时Javac将会为vaue生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

解析

解析阶段是虚拟机将常量池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，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用的目标不一定加载到内存中。
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点位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的。

类或接口的解析：

假设当前代码所处的类为D，如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用，那虚拟机完成整个解析过程需要一个3个步骤：
1）如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或实现接口。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程宣布失败。
2）如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型是对象，也就是N的描述符会是类似“[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型。如果N的描述如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是“Java.lang.Integer”，接着有虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象：“[Ljava/lang/Integer”（数组引用可回顾上文“类加载时机-被动引用演示二”）。
3）如果上述步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

字段解析：

要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用，这步解析成功才会进行后续字段的搜索。对字段进行解析时，会先在本类中查找是否包含有简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，如果有，则查找结束；如果没有，则会按照继承关系从下往上递归搜索该类所实现的各个接口和它们的父接口，还没有，则按照继承关系从上往下递归搜索其父类，直至查找结束。若还找不到，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

类方法解析：

对类方法的解析与对字段解析的搜索步骤差不多，只是多了判断该方法所处的是类还是接口的步骤，而且对类方法的匹配搜索，是先搜索父类，再搜索接口。（P276）

接口方法解析：

与类方法解析步骤类似，只是接口不会有父类，因此，只递归向上搜索父接口就行了。

初始化

到初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码。
在准备阶段，类变量已经被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指定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者可以从另一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器< clinit>()方法的过程。

< clinit>()方法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，在前面的静态语句中可以赋值，但是不能访问。
< clinit>()方法与实例构造器()方法（类的构造函数）不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的< clinit>()方法执行之前，父类的()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。
< clinit>()方法对于类或接口来说并不是必须的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成< clinit>()方法。
接口中不能使用静态语句块，但仍然有类变量（final static）初始化的赋值操作，因此接口与类一样会生成< clinit>()方法。但是接口与类不同的是：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。
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。如果在一个类的< clinit>()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

类加载器

通过类全限定名称获取二进制流。
虚拟机团队把累加载阶段中的**”通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制流”这个动作放到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为”类加载器”**。

类与类加载器

这里的“相等”包括了代表类的Class对象的equals（）、isAssignableFrom（）、isInstance（）等方法的返回结果，也包括了使用instanceof关键字对对象所属关系的判定结果。

双亲委派模型

从Java虚拟机的角度看，只存在两种不同的类加载器：

启动类加载器：它使用C++实现(仅限于HotSpot，因为有很多虚拟机也是由Java实现的)，是虚拟机自身的一部分。
所有其他的类加载器：这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机之外，并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader，这些类加载器需要由启动类加载器加载到内存中之后才能去加载其他的类。

从Java开发人员的角度来看，类加载器可以划分更细致一些，可以大致划分为以下三类：

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：它负责加载存放在{JAVA_HOME}\lib下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.*开头的类均被BootstrapClassLoader加载）。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。
扩展类加载器：Extension ClassLoader，这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载{JAVA_HOME}\lib\ext目录中，或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.*开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
应用程序类加载器：Application ClassLoader，该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，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流程：

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，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上，因此，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时，即无法完成该加载，子加载器才会尝试自己去加载该类。

使用双亲委派模型的好处：

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个很明显的好处，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，这对于保证Java程序的稳定运作很重要。例如，类java.lang.Object类存放在rt.jar之中，因此无论是哪个类加载器要加载此类，最终都会委派给启动类加载器进行加载，这边保证了Object类在程序中的各种类加载器中都是同一个类。相反，如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自行编写了一个java.lang.Object的类，并且放在ClassPath中，那么系统将会出现多个不同的Object类，那么Java体系中最基本的行为将无法保证。