JVM类加载器-原理

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。
在Java语言里，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的，这种策略虽然会令类加载的时候稍微增加一些性能开销，但是却为Java应用程序提供了高度的灵活性。

一.类加载的生命周期

类从被加载到虚拟机到卸载出内存，整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、卸载、使用、初始化。其中验证、准备、解析三个部分统称为连接。
加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序进行，而解析则可以在初始化之后的阶段进行（为了支持java的动态绑定）。
对于初始化阶段，虚拟机规范则严格规定了有且只有5中情况必须立即对类进行初始化。

• 遇到new/getstatic/putstatic/invokestatic这四条字节码指令，若此时类没有进行过初始化，则需先触发其初始化。这四条指令分别对应的Java代码场景是：使用new实例化对象、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰且在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）、调用一个类的静态方法时。
• 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，若类没有进行过初始化，则需触发其初始化。
• 当初始化一个类的时候，发现其父类还没有进行初始化，则先触发父类的初始化。
• 当虚拟机启动的时候，用户需指定一个要执行的主类，虚拟机会先初始化该类。
• 使用JDK1.7的动态语言支持，如果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，且该方法对应的类没有初始化过，先触发其初始化。
  以上五种场景行为称为对类的主动引用，除此之外的引用类的方法都不会触发初始化，称为被动引用。

二.类的加载过程

1.加载
加载阶段，虚拟机要完成3件事：

• 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
• 将该字节流所代表的静态存储数据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该类的java.lang.Class对象，作为方法区该类的各种数据结构的访问入口。
  2.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虚拟机的要求，并不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验工作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。
• 文件格式验证
  验证字节流是否符合Class文件的格式规范，且能被当前版本的虚拟机处理。只有通过该阶段的验证，字节流才会进入内存的方法区进行存储，后续的三个验证阶段全部都是基于方法区的存储结构进行的，不会在直接操作字节流。
• 元数据验证
  对字节码描述的信息进行语义分析，以保证描述的信息符合Java语言规范要求。
• 字节码验证
  该阶段的目的是通过数据流和控制流分析，确定程序语义是否是合法、符合逻辑的。该阶段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对虚拟机安全有危害的事。
• 符号引用验证
  该阶段校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，该转化动作将在连接的第三阶段-解析阶段发生。符号引用验证可视为对类自身以外的信息进行匹配性校验，它的目的是确保解析动作能正常执行。

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，这些变量使用的内存都将在方法区中进行分配。
同时，该阶段进行内存分配的仅包括类变量（static修饰的变量），而不包括实例变量，实例变量会在类实例化的时候随着对象一起在堆上被分配。其次，类变量分配的初始值通常是一个零值。
private static int val = 123;
val在准备阶段过后的初始值是0而非123，val被赋值为123的putstatic指令被放在类构造器<clinit>方法中，所以val赋值为123的动作在初始化阶段才会执行。
有一种特殊情况，若类字段的属性列表存在ConstantValue属性，则在准备阶段val就会被初始化为指定的值，即val有个final修饰符的情况。
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。
5.初始化
类初始化阶段是类加载过程的最后一步。在这一步，才真正开始执行类中定义的Java代码。初始化阶段是执行类构造器<cinit>()方法的过程。

三.类加载器

类加载阶段‘通过一个类的全限定名来获取此类的二进制字节流’是由类加载器来完成的。
1.类与类加载器
对于 任意一个类，都需由加载 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 。每一个类加载器都有一个独立的类名称空间。即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（这里的相等，包括了类的Class对象的equals方法，isAssignableFrom方法、isInstance方法的返回结果，以及通过instanceof关键字做的对象关系判定的情况）。

2.双亲委派模型
从开发人员角度，类加载器 分为：

• 启动类加载器：该 类加载器负责将放在JAVA_HOME/lib目录中的，或被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存中。类启动加载器无法被java程序 直接引用，用户在编写类加载器时，如果需要把加载器请求 委派给引导 类 加载器 ，则 直接用 null代替 即可。
• 扩展类加载器：该加载器由sun.misc.Lanucher$ExtClassLoader实现，负责 加载JAVA_HOME/lib/ext目录中的或者是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。

• 应用程序类加载器：该类加载器由sun.misc.Lanucher$AppClassLoader实现。该类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一 一般 也称为系统类加载器。它负责加载用户类路径上 所指定的 类库 ，开发者可以直接使用该类加载器 ，若 程序中没有自定义过自己 的类加载器，一般都是程序中 的默认类 加载器。
  应用程序一般就是由这 三种 类加载器相互配合进行加载的。
  类加载器的双亲委派模型如图示：

  
  classloader.png

双亲委派模型的工作过程为：如果一个类加载器收到了类加载的请求，他首先不会去自己加载这个类，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，只有当父类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自己加载。

3.破坏双亲委派模型
双亲委派模型并非一个强制性的约束模型，而是Java设计者推荐给开发者的类加载器实现方式。

• 建议现在再实现自己的ClassLoader类，不要去覆盖loadClass方法，而应该把自己的类加载逻辑写到findClass方法里，如果在loadClass方法的逻辑里如果父类加载失败，则会去调用自己的findClass方法来完成加载，这样可以保证写出来的类加载器是符合双亲委派模型。
• 双亲委派模型很好的解决了各个类加载器加载基础列的统一问题（越基础的类由越上层的类加载器进行加载）。但是可能会出现基础类回调用户代码的情况，比如JNDI可能会使用线程上下文类加载器去加载所需的SPI代码。
• 用户对程序动态性的追求导致的。如：HotSwap,HotDeploy,OSGi这种类加载器模型不再是双亲委派模型的树形结构。

参考文献

• 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》周志明 著