虚拟机类加载机制

2019-01-23  本文已影响0人  LeonardoEzio
1. 概述

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。

2.类加载的时机

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、解析3个部分统称为连接（Linking），这7个阶段的发生顺序如图所示。

图中加载，验证，准备，初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：Java语言的运行时绑定（也称动态绑定或晚期绑定）运行它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始。

对于类加载过程的第一阶段——加载阶段，Java虚拟机规范中并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”（初始化之前已经完成了类的加载，验证，准备阶段）。

以上场景种的5种行为称为对一个类的主动引用。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。接下来举3个例子来说明何为被动引用。

public class SuperClass {

    static {
        System.out.println("SuperClass init ............");
    }

    public static int value = 12;
}

public class SubClass extends SuperClass {

    static{
        System.out.println("SubClass init.......");
    }

}

/**
*被动引用类字段  demo1
*通过子类引用分类的静态字段，不会导致子类初始化
*/
public class Test {

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

/**
*被动引用类字段  demo2
*通过数字定义来引用类，不会触发此类的初始化
*/
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        SuperClass[] supArr = new SuperClass[10];
    }
}

/**
*被动引用类字段  demo3
*/
public class ConstantClass {

    static {
        System.out.println("ConstantClass init........");
    }

    public static final String SAY_HELLO = "hello";
}

/**
*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 Test {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstantClass.SAY_HELLO);
    }
}
3. 类加载的过程
3.1 加载

“加载”是“类加载”过程的一个阶段。在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：

对于数组类而言，数组类本身不通过类加载器创建，它是由java虚拟机直接创建的。一个数组类的创建过程就遵循以下原则：

3.2 验证

验证同时也是连接阶段的第一步，在这一阶段主要是为了验证Class文件中的字节流中所包含的信息是否符合当前虚拟机的要求。此阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过类这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区进行存储，所以后面的3个验证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。验证阶段大约会完成下面4个阶段的检验动作：

3.3 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中进行分配。注意这里分配内存的对象仅仅包括类变量（被static修饰的变量），而不包括实列变量，实例变量将会在对象实例化的时候随着对象一起分配在Java堆中。

3.4 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，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能够无歧义的定位到目标即可。直接引用：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简接定位到目标的句柄。

3.5 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，才正真开始执行类中定义的Java程序代码(或者说是字节码)

4. 类加载器与双亲委派模型

从Java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，这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader。总体来说，绝大部分Java程序都会使用到以下3种系统提供的类加载器。

大部分java应用程序都是由这3种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要还可以加入自己定义的类加载器。类加载器直接的关系一般如下图所示。

类加载器双亲委派模型.png

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是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（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系使得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。例如类java.lang.Object,它存放在rt.jar中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的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。相反，如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个称为java.lang.object的类，并放在程序的ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。实现双亲委派模型的代码主要都集中在java.lang.ClassLoader的 loadClass()方法之中。

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;
        }
    }

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