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。

1、类加载时机

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，准备和解析三个部分统称为连接（Linking）。

类的生命周期.jpg

解析阶段在某些情况下，可以在初始化阶段之后再开始。这是为了支持Java语言的运行时绑定。
对于初始化阶段，有且仅有5种情况必须对类进行初始化（而加载，验证，准备自然需要在此之前开始）：
1.遇到new,getstatic,putstatic或invokestatic这四条指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这四条指令最常见的Java代码场景是：使用new初始化对象时，读取或设置一个类的静态字段时，以及调用一个类的静态方法时。
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。当初始化一个接口的时候，其父类接口不会被初始化，只有真正使用其父类的时候，才会被初始化。
4.当虚拟机启动时，用户要指定一个执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
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，并且这个方法句柄所对应的类还没有进行过初始化，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调用。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。
下面举三个例子来说明何为被动引用。
被动使用类字段演示一：

package com.ljessie.jvm.no_initialization;
/**
 * 通过子类引用父类的静态字段，不会触发子类的初始化。
 */
public class SuperClass {
    static{
        System.out.println("SuperClass init!");
    }
    public static int value = 123;
}

public class SubClass extends SuperClass {
    static {
        System.out.println("SubClass init!");
    }
}

public class NoInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}

运行结果：

SuperClass init!
123

对于静态字段，只有直接定义，这个字段的类，才会被初始化，因此通过子类来引用其父类的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。
被动使用类字段演示二：通过数组来定义类，不会触发此类的初始化。

public class NoInitialization {
    public static void main(String[] args) {
//        System.out.println(SubClass.value);
        SuperClass[] classes = new SuperClass[10];
    }
}

运行结果无任何打印
被动使用类字段演示三：常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。

public class ConstClass {
    static {
        System.out.println("ConstClass init!");
    }
    public static final String HELLO_WORLD= "Hello World!";
}

public class NoInitialization {
    public static void main(String[] args) {
//        System.out.println(SubClass.value);
//        SuperClass[] classes = new SuperClass[10];
        System.out.println(ConstClass.HELLO_WORLD);
    }
}

运行结果：

Hello World!

在编译阶段，Java源码虽然引用了ConstClass类中的常量HELLO_WORLD，但是此常量值"Hello World!"存储到了NoInitialization的常量池中，以后对ConstClass.HELLO_WORLD的调用都转为NoInitialization类对自身常量池的引用。因此，ConstClass不会被初始化。

2、类加载的过程

2.1、加载

“加载”是“类加载”（Class Loading）过程的一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：
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。

数组类不通过类加载器创建，是由Java虚拟机直接创建。数组类的元素类型（指的是数组去掉所有维度的类型）最终是通过类加载器去创建。一个数组类的创建过程遵循以下原则。
1.如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]），Java虚拟机将会把，数组标记为与引导类加载器关联。
2.数组类的可见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，则可见性默认为public。

加载阶段完成之后，虚拟机外部的二进制字节流，按照虚拟机所需的格式，存储在方法区中。然后在内存中实例化一个java.lang.Class对象（HotSpot虚拟机将此对象放在方法区中），这个对象作为程序访问，方法区中的这些类型数据的外部接口。
加载阶段与连接阶段的部分内容（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，但这些夹在加载阶段的动作，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。

2.2、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文件的字节流信息中包含的信息，符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成下面4个阶段的校验动作：文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。

1.文件格式验证：第一阶段要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。这一阶段可能包括：
是否以魔数CAFEBABE开头。
主次版本号是否在当前虚拟机处理范围。
常量池中的常量是否由不被支持的常量类型。
指向常量的各种索引值中，是否有指向不存在的常量，或者不符合类型的常量。
CONSTANT_Utf8_info的常量中是否有不符合UTF-8编码的数据。
Class文件中各个部分及文件本身，是否有被删除的或，附加的其他信息。
。。。。。。
实际上，第一阶段的验证远不止这些，该验证阶段的主要目的是，保证输入的字节流，能正确的解析并存储于方法区之内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证之后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面的3个阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。

2.元数据验证：第二阶段是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，这个阶段可能包含的验证点如下：
这个类是否有父类。
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，或者不合规则的方法重载）。
第二阶段的主要目的是，对类的元数据信息，进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

3.字节码验证：第三阶段是整个验证过程最复杂的一个阶段，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。在第二阶段对元数据信息中的数据类型进行校验之后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时，不会做出危害虚拟机安全的事件，例如：
保证任意时刻操作数栈的数据类型，与指令代码序列都能配合工作。例如：在操作栈放置了一个int型数据，使用时却按Long类型来载入本地变量表中。
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。
。。。。。。
如果一个类的方法体的字节码没有通过字节码验证，那肯定是有问题的；但如果一个方法体通过了字节码验证，也不能说明其一定是安全的。通过程序去校验程序逻辑，是无法做到绝对精准的。

4.符号引用验证：最后一个阶段的校验发生在，虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个动作将在连接的第三个阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看作是，对类常量池中的各种符号引用的信息，进行匹配性校验，通常需要校验下列内容：
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，以及简单名称所描述的方法和字段。
符号引用中的类，字段，方法的访问性（private,protected等），是否可被当前类访问。
。。。。。。
符号引用验证的目的是，确保解析动作能正确执行，如果无法通过符号引用验证，那么将会抛出一个java.lang.IllegalAccessError,java.lang.NoSuchFiledError,java.lang.NoSuchMethodError等异常。
对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是非常重要，但不是一定必要的阶段，如果所运行的代码已经被反复使用和验证过，在实施阶段，可通过-Xverify:none参数来关闭大部分类的验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

2.3、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，这时候进行内存分配的仅包括static变量，而不包括实例变量。实例变量将会在对象初始化时，随着对象一起分配在Java堆中。这里所说的初始值，通常情况下，是数据类型的零值。如果类字段是static final修饰的，那在准备阶段就会被初始化为指定的值。

基本数值类型零值.jpg

2.4、解析

解析阶段是将常量池内的符号引用，替换为直接引用的过程。
符号引用（Symbolic References）：以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任意形式的字面量，只要使用时，能无歧义的定位到目标即可。引用的目标不一定已经加载到内存中。
直接引用（Direct References）：直接引用是可以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。如果有了直接引用，那引用的目标就已经在内存中存在。

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7类符号引用进行。下面分析前面4种引用的解析过程。对于后面3种，将和动态语言调用一起分析。
1、类或接口的解析
解析动作针对常量池中的类、父类、接口集合，假设当前代码所处的类为D，如果要把一个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。要经过下面三个步骤：
1>.如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把，代表N的全限定名传递给类D的类加载器，去加载类C。一旦这个加载过程出现异常，解析过程就会宣告失败。
2>.如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类似"java/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的描述符，如前面假设的形式，需要加载的元素类型，就是"java.lang.Integer"。接着虚拟机生成一个，代表此数组维度和元素的数组对象。
3>.如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中已经是一个有效的类或者接口了，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。

2、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。如果在解析这个类或者接口符号引用的过程中，出现了任何异常，都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功完成，那将这个字段所属的类或接口用C表示，虚拟机规范要求按照如下步骤，对C进行后续字段的搜索：
1>.如果C本身就包含了，简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
2>.否则，如果C中实现了接口，将会按照继承关系，从下往上递归搜索各个接口和他的父接口。如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
3>.否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系，从下往上递归搜索其父类，如果在父类中，包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
4>.否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFiledError异常。
如果查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证。在实际应用中，虚拟机的编译器会比上述规范更加严格一些，如果一个同名字段，同时出现在父类和接口中，那编译器将可能拒绝编译。

3、类方法解析
类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也需要解析出类方法的class_index索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，依然用C表示这个类，接下来虚拟机会按照如下步骤，进行后续的类方法搜索：
1>.类方法和接口方法，符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法中发现class_index中的索引是个接口，将会抛出IncompatibleClassChangeError异常。
2>.如果通过了第1步，在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有，则返回这个方法的直接引用。
3>.在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果存在，则返回这个方法的直接引用，查找结束。
4>.在类C实现的接口列表，及他们的父接口中，递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果存在匹配的方法，说明C是一个抽象类，查找结束，抛出AbstractMethodError异常。
5>.否则，宣告方法查找失败，抛出NoSuchMethodError。
最后，若查找过程，返回了直接引用，则对这个方法进行权限验证。

4.接口方法解析
接口方法也需要先解析出，接口方法表的class_index索引的方法，所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，依然用C表示这个接口，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索。
1>.与类方法解析不同，如果在接口方法表中，发现class_index索引C是个类，而不是接口，则直接抛出IncompatibleClassChangeError。
2>.否则，在C接口中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有，则返回直接索引，查找结束。
3>.否则，在接口C的父接口中递归查找，直到Object类为止，查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有，则返回直接引用，查找结束。
4>.否则，宣告查找失败，抛出NoSuchMethodError。
接口中的所有方法默认都是public的，所以不存在访问权限的问题。

2.5、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（或者说是字节码）。
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，通过程序制定的主管计划，去初始化类变量和其他资源。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，是由语句在源文件中出现的顺序所决定的，静态语句块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，可以赋值，但是不能访问。
<clinit>()方法与类的构造函数（<init>()）不同，它不需要显式的调用父类构造器，虚拟机会保证在子类<clinit>()执行之前，父类的<clinit>()都已执行完毕。因此虚拟机中第一个被执行的<clinit>()的类是Object。
<clinit>()方法执行顺序

public class InitDemo {

    static class Parent{
        public static int A = 1;
        static {
            A = 2;
        }
    }

    static class Sub{
        public static int B = Parent.A;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Sub.B);
    }

}

运行结果：

2

<clinit>()方法对于类或接口并不是必须的，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>()方法在多线程环境下，被正确的加锁，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，就可能造成多个线程阻塞，

3、类加载器

类加载阶段中“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，是在Java虚拟机外部实现的，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块称为类加载器。

3.1、类与类加载器

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，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。比较两个类是否相等，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下，才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载他们的类加载器不同，那么这两个类就一定不相等。
这里所指的相等，包括类的Class对象的equals()方法，isInstance()方法的返回结果。也包括使用instanceof关键字做对象所属关系的判定情况。

package com.ljessie.jvm;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".")+1)+".class";
                    InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                    if(is == null){
                        return super.loadClass(name);
                    }
                    byte[] b = new byte[is.available()];
                    is.read(b);
                    return defineClass(name,b,0,b.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException(name);
                }
            }
        };

        Object obj = myLoader.loadClass("com.ljessie.jvm.ClassLoaderTest").newInstance();
        System.out.println(obj.getClass());
        System.out.println(obj instanceof com.ljessie.jvm.ClassLoaderTest);
    }
}

运行结果：

class com.ljessie.jvm.ClassLoaderTest
false

上面代码定义了一个简单的类加载器，它可以加载与自己在同一路径下的Class文件。第二行输出false，是因为虚拟机存在了两个ClassLoaderTest类，一个是由系统应用程序类加载器加载的，一个是自定义类加载器加载的，虽然都来自同一个Class文件，但依然是两个独立的类。

3.2、双亲委派模型

从Java虚拟机的角度讲，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++实现；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都由Java实现，独立于虚拟机外部，全都继承自抽象类ClassLoader。

从Java开发人员的角度来看，绝大部分程序都会用到下面三种类加载器。
1.启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这个类加载器，负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，例rt.jar）类库，加载到虚拟机内存中。启动类加载器，无法被Java程序直接使用。
2.扩展类加载器（Extension ClassLoader）：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）：这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，一般也称系统类加载器。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，这个就是程序中默认的类加载器。

双亲委派模型.jpg

图中展示的类加载器之间的层次关系，称为类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation Model）。双亲委派模型要求，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。这里类加载器之间的父子关系，使用组合关系来复用父加载器的代码。
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，首先不会自己先尝试加载这个类，而是把这个请求委托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（它的搜索范围中没有找到需要的类），子加载器才会尝试自己去加载。