深入理解JVM学习笔记-类加载机制

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，这就叫虚拟机的类加载机制。

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、连接（验证、准备、解析）、初始化、使用、卸载。
对于初始化阶段，虚拟机规范规定了有且只有5种情况必须立即对类进行"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或者invokestatic这4条字节码指令时们如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或者设置一个类的静态字段，以及调用一个类的静态方法时
（2）使用java.lang.reflect包的方法对类进行放射调用的时候，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
（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主类。
（5）当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invok.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没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
以上5中场景是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初始化类，称为被动引用,被动使用类场景如下：
（1）通过子类引用父类的字段，不会导致子类初始化。
（2）通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化。
（3）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初始化。

加载

在加载阶段，虚拟机需要完成以下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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口。
虚拟机规范中并没有准确说明二进制字节流应该从哪里获取以及怎样获取,这里可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式。可以从zip包读取、从网络中获取、运行时动态生成。

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。不同的虚拟机对类验证的实现可能会有所不同，但大致都会完成以下四个阶段的验证：文件格式的验证、元数据的验证、字节码验证和符号引用验证。
（1）文件格式的验证：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于方法区之内。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类型进行语法校验），保证不存在不符合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化，后面会有讲解），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。

准备

（1）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中进行分配；
（2）这时候进行内存分配的仅仅包含类变量，即被static修饰的变量，而不包括实例变量，实例变量将在对象初始化时随对象一起分配在Java堆中。
（3）如public staic int value = 123;变量在准备阶段过后的初始值是0，不是123，把变量value赋值为123的动作是在初始化阶段才会执行。
（4）将value变量的定义变为public staic final int value = 123;编译时javax将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机会根据ConstantValue的设置将value设置为123. 简单来说就是类常量在准备阶段已经赋值为定义值，类变量在准备阶段赋值为默认的初始值，实例变量在类初始化的时候赋值。

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。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。
（1）类或接口的解析：判断所要转化成的直接引用是对数组类型，还是普通的对象类型的引用，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上往下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
（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，知识接口不会有父类，因此，只递归向上搜索父接口就行了。

初始化

类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，其余动作全部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程序代码，在准备阶段变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段则通过程序制定的主观计划去初始化变量和其他资源，从另一个角度理解就是执行类构造器<clinit>()方法的过程。
（1）<clinit>()方法是由编译器自动收集类中的所有变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并产生的，他按照代码中出现的顺序收集，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在他之后的，在静态语句块中只能赋值不能访问：如下代码所示：

public class Test {
  static{
      i = 1;//可以赋值
      System.out.println(i);//不能访问
  }
  static int i = 0;
}

（1）<clinit>()方法在执行之前必须保证自己父类的类构造器方法已经执行完毕,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
（2）由于父类的<clinit>()方法优先执行，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
（3）<clinit>()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。
（4）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，但是接口与类不同的是，执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父类接口的<clinit>()方法，只有父类接口中定义的变量使用时父类接口才会初始化，另外接口实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>()方法
（5）虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确的加锁，同步。

类加载器

通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流，而这个动作放到虚拟机外部去实现，以便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。
判断两个类是否相等的标准：两个类来源于同一个Class文件，并且被同一个类加载器加载。只要它们的类加载器不同，那么他们就 不是同一个类，不同类加载加载同一个Class文件导致的内存问题实例分析请参考：Android性能优化-方法区导致内存问题实例分析。
类加载器分类如下：
启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：由C++语言实现（针对HotSpot）,负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录或-Xbootclasspath参数指定的路径中的类库加载到内存中，即负责加载Java的核心类。
其他类加载器：由Java语言实现，继承自抽象类ClassLoader。
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录或java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库，即负责加载Java扩展的核心类之外的类。
应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载用户类路径（classpath）上的指定类库，我们可以直接使用这个类加载器，通过ClassLoader.getSystemClassLoader()方法直接获取。一般情况，如果我们没有自定义类加载器默认就是用这个加载器。

双亲委派模型

双亲委派模型的工作流程是：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。
为何要双亲委派机制?
对于我们技术来讲，我们不但要知其然，还要知其所以然。为何要采用双亲委派机制呢？了解为何之前，我们先来说明一个知识点：判断两个类相同的前提是这两个类都是同一个加载器进行加载的，如果使用不同的类加载器进行加载同一个类，也会有不同的结果。如果没有双亲委派机制，会出现什么样的结果呢？比如我们在rt.jar中随便找一个类，如java.util.HashMap,那么我们同样也可以写一个一样的类，也叫java.util.HashMap存放在我们自己的路径下(ClassPath).那样这两个相同的类采用的是不同的类加载器，系统中就会出现两个不同的HashMap类，这样引用程序就会出现一片混乱。双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中，如下代码所示：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        //检查该类是否已经加载过
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            //如果该类没有加载，则进入该分支
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    //当父类的加载器不为空，则通过父类的loadClass来加载该类
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    //当父类的加载器为空，则调用启动类加载器来加载该类
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                //非空父类的类加载器无法找到相应的类，则抛出异常
            }

            if (c == null) {
                //当父类加载器无法加载时，则调用findClass方法来加载该类
                long t1 = System.nanoTime();
                c = findClass(name); //用户可通过覆写该方法，来自定义类加载器

                //用于统计类加载器相关的信息
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            //对类进行link操作
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

逻辑清晰易懂：先检查是否已经被加载过，如果没有加载则调用父加载器的loadClass（）方法，父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器，如果父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass（）方法进行加载。

参考资料：

《深入理解Java虚拟机》
JVM学习笔记(5)-JVM类加载机制
深入理解Java类加载机制（一）