JVM学习笔记(5)-JVM类加载机制

简介

代码编译的结果从本地机器码转变为字节码，是存储格式发展的一小步，却是编程语言发展的一大步。
与那些在编译时需要进行连接工作的语言不通，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时稍微增加一些性能开销，但是会为Java应用程序提供高度的灵活性，Java里天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态链接这个特点实现的。

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、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，如果发现其弗雷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。

类加载的过程

加载

在装载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情

• 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
• 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。

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。

• 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。

• 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。

• 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。

• 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

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中分配。对于该阶段有以下几点需要注意：

• 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、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

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。

• 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。

• 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

• 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。

• 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

• <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

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

• <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
• 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
• <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。
• 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
• 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

类加载器负责将 .class 文件加载到内存中，并为之生成对应的 Class 对象。
在JVM中，一个类用其全限定类名和其类加载器作为唯一的标识。这样保证同一个类不会再次被载入。
类加载器分类：

不同的类加载器负责加载不同的类。主要分为两类。

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。如：

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。

graph LR
自定义类加载器-->应用程序类加载器
应用程序类加载器-->扩展类加载器
扩展类加载器-->启动类加载器

这样的好处是不同层次的类加载器具有不同优先级，比如所有Java对象的超级父类java.lang.Object，位于rt.jar，无论哪个类加载器加载该类，最终都是由启动类加载器进行加载，保证安全。即使用户自己编写一个java.lang.Object类并放入程序中，虽能正常编译，但不会被加载运行，保证不会出现混乱

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;
    }
}