虚拟机类加载机制

概述

虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，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，此为虚拟机的类加载机制。

一、类加载的时机

• 类的整个声明周期：加载、连接（验证、准备、解析）、初始化、使用、卸载。
• 有且只有五种情况下类需要初始化（加载时间并没有明确限制）
  1. 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic这四条字节码指令时；
  2. 使用反射包的方法对类进行反射调用时；
  3. 初始化一个类时，如果父类没有初始化，则会先初始化父类；
  4. 虚拟机启动时，虚拟机会初始化指定的启动类（包含main()方法的那个类）；
  5. 动态语言支持（暂时省略）
• 被动引用的例子，上面五种为主动引用（能促发类的初始化）。
  1. 通过类名访问父类的静态变量 SubClass.value；(只有直接定义静态字段的类才会被初始化)，是否导致类的加载可以通过（-XX:TraceClassLoading ）参数查看;
  2. 通过数组定义来引用类；如 Person[] ps = new Person[10];这里不会促发Person类的初始化，但是会有一个名为"[Lcom.hfi.pepper.Person"的类的初始化（由虚拟机生成：newarray）
  3. 对常量字段的引用（final、static修饰）；如在B类中访问A类的常量value(A.value),这其实在编译器已经被常量传播优化了--转化为对类B自身常量池的访问，所以直接从常量池拿值，不需到类A拿值。
• 接口初始化时，并不要求其父接口都初始化。

二、类加载的过程

2.1 加载

• 通过一个类的权限定名获取定义此类的二进制字节流（JAR包，网络，动态代理），如：

 byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
                proxyName, interfaces, accessFlags);

• 将二进制流代表的静态结构转化为方法区的运行时数据结构
• 内存中生成代表这个类的Class对象（存在于方法区1.7）。
• 数组类型的加载是将其 组件类型 按上述方式加载。

2.2验证

• 文件格式验证（魔数、版本号、常量类型等），只有这个阶段是基于二进制流验证的。
• 元数据验证 保证不存在不符合JAVA语言规范的元数据信息。
• 字节码验证 通过数据流和控制流分析 确保程序语义合法、逻辑合法。
• 符号引用验证 （解析阶段发生）
• Xverify:none 关闭类验证，以缩短类加载时间。

2.3准备

为类变量分配空间，并设置初始值。通常初始值为零，除了常量：被final和static修饰的（编译时 通过ConstantValue属性设值）。

2.4解析阶段

符号引用替换为直接引用的过程

• 解析发生的时间--在使用操作符号引用的字节码指令之前，先对符号引用解析。
• 符号引用应该只解析一次，解析之后的直接引用应该缓冲在运行时常量池中。
  1、类或者接口的解析
  2、字段解析
  3、类方法解析
  4、接口方法解析

2.5初始化

• 准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值（除常量外都为零值
• 初始化阶段，可以理解为执行类构造器 <clinit>()方法的过程。
• <clinit>()方法的生成，是编译器将源文件中对 类变量的赋值和静态代码块中的语句进行收集（按其出现的顺序）。
• 静态语句块可以赋值定义在其后的类变量（注意理解），但是不能访问定义在其后的类变量（why?）
• <clinit>()不需要显示调用父类的类构造器，so第一个执行的类构造器属于Object类。
• <clinit>()是非必须的（如果没有静态代码块，和类变量的赋值动作）
• 接口中虽没有静态代码块，但是可以有变量的赋值，所以可以有类构造器
• 执行接口的<clinit> 不需要先执行父接口的构造器。只有当父接口中变量使用时，父接口才会初始化。
• 接口的实现类在初始化时，也不必执行接口的初始化。
• 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法的正确同步，这个原理可以被用来实现单例。

三、类加载器

3.1 类与类加载器

类的唯一性由加载他的 类加载器和 这个类本身一同确定

3.2 双亲委派模型

1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）,使用C++实现，加载<JAVA_HOME>\lib目录中，或者被-Xbootclasspath参数指定的路劲中的文件（按名字识别，如rt.jar）
2. 启动类加载器无法被Java程序直接引用，如果需要把加载请求委托给启动类加载器，则直接使用null代替。
3. 扩展类加载器，负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的文件，ExtClassLoader可以被开发者直接使用。
4. 应用程序加载器（AppClassLoader）,由ClassLoader中的getSystemClassLoader方法返回，负责加载用户类路劲（classpath）上的所有类库。
5. 工作流程： 类加载器收到类加载请求时，首先把请求委托给父类（这里用的组合的方式），只有父类无法完成类加载时，才自己去加载类。
6. 双亲委派模型这种层级关系可以保证如Object类只被引导类加载。
7. 双亲委派模型代码

 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }