JVM类加载

前言

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，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)7个阶段。其中，验证、准备、解析3个部分统称为连接(Linking)。

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虚拟机中的唯一性，每个类加载器都拥有一个独立的类名称空间。因此，比较两个类是否“相等”，必须由同一个类加载器加载同一个Classs文件。
类加载器大致分为：

• 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：负责加载最为基础、重要的类，比如存放在JRE的lib目录下的jar包中的类(以及虚拟机参数-Xbootclasspath所指定的类)
• 扩展类加载器(Extension Classloader)：父类加载器为启动类加载器，负责加载相对次要、但又通用的类，比如存放在JRE的lib/ext目录下jar包中的类(以及系统变量java.ext.dirs指定的类)
• 应用类加载器(Application Classloader)：父类加载器为扩展类加载器，负责加载应用程序路径下的类(虚拟机参数 -cp/-classpath、系统变量java.class.path或环境变量classpath所指定的路径)。默认情况下，应用程序中包含的类便是由应用类加载器加载。
• 自定义类加载器(User Classloader)：当实际需要自己掌控类加载过程时才会用到，一般没有用到。

双亲委派模型

类加载器之间的这种层次关系称为类加载器的双亲委派模型(Parents Delegation Model)。除了启动类加载器，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现，而是使用组合关系复用父加载器。
双亲委派模型的工作过程：如果一个类加载器收到类加载请求，它不会立即去尝试加载此类，而是将请求委派给父类加载器，每个层次的类加载器都是这样，因此所有的加载请求最终都会委派到启动类加载器，只有父类加载器反馈自己无法加载(搜索范围内没有找到所需类)，子加载器才会尝试加载。
双亲委派模型的好处：类加载器具备层次优先级，每个类加载器接到加载请求都会委派父类加载器加载，可以避免同一个class文件被不同的加载器加载而造成同一个class文件不同的类产生。

例如java.lang.Object类，存放于rt.jar中，无论哪个类加载器要加载此类，都会被委派到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下都是同一个Object类。如果没有双亲委派模型，而是由各个类加载器自行加载，那么就会产生多个不同的Object类。

类加载的过程

加载

在加载阶段，虚拟机需要完成3件事情：

• 通过一个类的全限定名获取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
• 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。

二进制字节流并不一定来自Class文件，它可以是：

• java编译器生成的class文件
• 从zip包中读取，还有jar、ear、war格式的包
• 程序内部直接生成
• 从网络中获取(例如Applet)
• ······

连接

连接就是将创建成的类合并至Java虚拟机中，使之能够执行的过程。连接分为验证、准备以及解析三个阶段。

验证

验证是连接阶段的第一步，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。
验证阶段大致完成4个阶段的检验动作：

• 文件格式验证
• 元数据验证
• 字节码验证
• 符号引用验证

准备

准备阶段是正式为类变量(static修饰的变量)分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所用到的内存都将在方法区中进行分配。
注：进行内存分配的变量是类变量(static修饰)，而不是实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一起分配到java堆中，而初始化是数据类型的零值。

假设一个类变量的定义为

public static int value = 123;

变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为此时尚未执行任何java方法，而将value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器<clinit>()方法中，这个动作将在初始化阶段才会执行。
特殊情况下，如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量value会被初始化为ConstantValue属性所指定的值123。

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，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。(与jvm内存布局无关，引用目标不一定已加载到内存)。
• 直接引用：直接引用可以是直接指向目标地指针、相对偏移量或一个能间接定位到目标地句柄。(与jvm内存布局有关。同一符号引用在不同地jvm上翻译出来的直接引用一般不同)。

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。
在准备阶段，变量已赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员代码去初始化类变量和其他资源，也就是执行类构造器<clinit>()方法。

• <clinit>()方法由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并产生，收集顺序由语句在源文件中的顺序决定。静态代码块只能访问定义在其之前的变量，定义在其之后的变量，可在静态代码块中赋值，但不可访问。

public class Test{
    static {
        i = 0;  //给变量赋值，编译通过
        System.out.println(i);  //访问变量，编译提示非法向前引用
    }
    static int i = 1;
}

• <clinit>()方法和类构造器不同，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<clinit>()方法已经执行完毕。第一个执行的<clinit>()方法肯定是java.lang.Object。
• 由于父类的<clinit>()方法先执行，所以父类定义的静态代码块优先于子类的赋值操作。
• <clinit>()方法并非必需，如果一个类中无静态代码块，也没有对类变量的赋值操作，则不会产生<clinit>()。
• 接口中没有静态代码块，但会有变量的初始化赋值，所以也会产生<clinit>()方法，但是它不需要先执行父接口的<clinit>()方法。只有当父接口定义的变量被使用时，才会初始化。接口的实现类初始化时也不会执行接口的<clinit>()方法。
• 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境下被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法。

单例模式的其中一种线程安全的实现方式就是利用了最后一个特点，利用classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程。JVM在类初始化阶段会获取一个锁，这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。

public class Singleton {
   private static class SingletonHolder{
       public static Singleton singleton = new Singleton();
   }

   public static Singleton getInstance(){
       return SingletonHolder.singleton;
   }
}