Java 虚拟机（JVM）类加载机制

概念

Java 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。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、解析部分又统称为连接。

类加载时机

Java 虚拟机规范中并没有对类加载过程的第一个阶段即加载进行强制约束，但是对于初始化阶段虚拟机规范则是严格要求，如果出现了以下 5 种情况，则必须立即对类进行 “初始化”。

1. 使用 new 关键字实例化对象的，读取或者设置一个类的静态字段的时候，调用一个类的静态方法的时候。
2. 对类进行反射的时候，如果类没有进行初始化，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（包含 main() 方法的那个类），虚拟机会先初始化这个类。
5. 当使用 JDK 1.7 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是 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 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。

这 5 种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

接口也需要进行初始化，与类的初始化真正有区别的是：当一个类在初始化的时候，要求其父类全部都已经初始化过了，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。

类加载过程

1. 加载

在加载阶段，虚拟机主要完成以下 3 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。

加载 .class 文件的方式有：

• 从本地系统中直接加载。
• 通过网络下载 .class 文件
• 从 zip、jar 等归档文件中加载 .class 文件
• 从专有数据库中提取 .class 文件
• 将 java 源文件动态编译.class 文件

2. 验证

验证的目的是为了确保 Class 文件中的字节流包含的信息符合当前虚拟机的要求，而且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致上会完成以下 4 个阶段的验证：

1. 文件格式验证
   验证字节流是否符合 Class 文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理，该验证的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储在方法区内。经过该阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，后面的三个验证都是基于方法区的存储结构进行的。
2. 元数据验证
   对类的元数据信息进行语义校验（其实就是对类中的各数据进行语法校验），保证不存不符合 Java 语法规范的元数据信息。
3. 字节码验证
   该阶段验证的主要工作是进行数据流和控制流分析，对类的方法体进行校验分析，以保证被校验的类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。
4. 符号引用验证
   这是最后一个阶段的验证，它发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候（解析阶段中发生该转换），主要是对类自身以外的信息（常量池中的各种符号引用）进行匹配性的校验。

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进行分配。需要注意的是：

• 这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在 Java 堆中。
• 这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如 0，false，null），而不是在 Java 中被显示地赋予的值。

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，符号引用可以是任何形式的字面量，符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定已经在内存中。
• 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。直接应用是与虚拟机实现的内存布局有关的，同一个符号引用在不同的虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般都不相同，如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

1. 类或接口的解析：判断所要转换成的直接引用是数据类型还是普通的对象引用类型，从而进行不同的解析。
2. 字段解析：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到上递归搜索其父类，直至查找结束，查找失败会抛出异常。
3. 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。
4. 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。

5.初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的 Java 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，则根据程序员指定的要求去初始化类变量和其他资源，或者可以从另外一个角度来表达：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有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，在前面的语句块可以赋值，但是不能访问。
• <clinit> 方法与类的构造函数（或者说实例构造器<init>() 方法）不同，它不需要显示地调用父类构造器，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。因此在虚拟机中第一个被执行的 <clinit>() 方法的类肯定是 java.lang.Object。
• 由于父类的 <clinit> 方法先执行，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。
• <clinit> 方法对于类或接口来说并不是必需的，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。
• 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使用时，父接口才会初始化。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、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>() 方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往时很隐蔽的。需要注意的是，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行 <clinit>() 方法的那条线程退出 <clinit>() 方法后，其他线程唤醒之后不会再次进入 <clinit>() 方法。同一个类加载下，一个类型只会初始化一次，这也是使用静态内部类能实现单例模式的原因。

类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的“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 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”。

1. 类与类加载器

对于任何一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类来确立其在 JVM 中的唯一性。也就是说，两个类来源于同一个 class 文件，并且被同一个类加载器加载，这个类才相等。

2. 双亲委派模型

从虚拟机的角度来说，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（BootstrapClassLoader），该类加载器使用 C++ 语言实现，属于虚拟机自身的一部分。另外一种就是所有其它的类加载器，这些类加载器是由 Java 语言实现，独立于 JVM 外部，并且全部继承抽象类 java.lang.ClassLoader。

从 Java 开发人员的角度来看，大部分 Java 程序一般会使用到以下三种系统提供的类加载器：

1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载 JAVA_HOME\lib 目录中并且能被虚拟机识别的类库到 JVM 内存中，如果名称不符合的类库即使放到 lib 目录中也不会被加载。该类加载器无法被 Java 程序直接引用。
2. 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器负责加载 JAVA_HOME\lib\ext 目录中的，或者被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
3. 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：该类加载器也称为系统类加载器，它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下就是程序中默认的类加载器。

双亲委派模型的工作过程是：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最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，子类加载器才会尝试去加载。

使用这种模型来组织类加载器之间的关系的好处是 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。例如 java.lang.Object 类，无论哪个类加载器去加载该类，最终都是由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中都是同一个类。否则的话，如果不使用该模型的话，如果用户自定义一个java.lang.Object 类且存放在 classpath 中，那么系统中将会出现多个 Object 类，应用程序也会变得很混乱。如果我们自定义一个 rt.jar中 已有类的同名 Java 类，会发现JVM 可以正常编译，但该类永远无法被加载运行。

类加载实现过程的代码：

protected synchronized Class loadClass(String name, boolean resolve)  
        throws ClassNotFoundException {  
    // 首先检查该name指定的class是否有被加载  
    Class c = findLoadedClass(name);  
    if (c == null) {  
        try {  
            if (parent != null) {  
                // 如果parent不为null，则调用parent的loadClass进行加载  
                c = parent.loadClass(name, false);  
            } else {  
                // parent为null，则调用BootstrapClassLoader进行加载  
                c = findBootstrapClass0(name);  
            }  
        } catch (ClassNotFoundException e) {  
            // 如果仍然无法加载成功，则调用自身的findClass进行加载  
            c = findClass(name);  
        }  
    }  
    if (resolve) {  
        resolveClass(c);  
    }  
    return c;  
}