第7章 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。

在Java语言里面，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连接这个特点实现的。

一、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，整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接。

加载、验证、准备、初始化这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：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再执行，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。

虚拟机规范规定有且只有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invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。

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，如果发现其父亲还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。

4） 当虚拟机启动时候，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.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没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

二、类加载的过程

1） 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类获取定义此类的二进制字节流。
2.将这字节流所代表的静态存储结构转化为方法区运行时数据结构。
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。

相对于类加载过程的其他阶段，一个非数组类的类加载阶段是开发人员可控性最强的的，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式（即重写一个类加载器的loadClass()方法）。

对于数组而言，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。但是数组类的元素类型最终是要靠类加载器去创建。

加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后再内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将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之中进行的动作，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） 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。

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。

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。

3.     字节码验证

第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，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。在元数据验证阶段对数据类型做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，以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。

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，而这个转化动作在连接的第三阶段—解析阶段发生，符号引用可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验。

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，这些变量都在方法区中进行分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量（即被static修饰的变量），而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义如下：

   public static int value = 123;

那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时候并未执行任何Java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器<clinit>()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。

对于“特殊情况”：如果类字段的字段属性表存在ConstantValue属性，那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，如：

   public static final int value = 123;

编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

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，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标不一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。

直接引用：直接引用可以是指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机内存布局相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

（1）类或接口的解析

假设当前代码所处的类为D，如果要把一个从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，那虚拟机完成整个解析的过程需要以下3个步骤：

（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，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。

（3）类方法解析

类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也需要先解析出类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，我们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的类方法搜索。

（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项中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。

由于接口中的所有的方法默认都是public的，所以不存在访问权限的问题，因此接口方法的符号解析不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

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)。

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观计划去初始化类变量和其他资源，或者从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

（1）<clinit>（）方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}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，静态语句块中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，在前面的静态语句中可以赋值，但是不能访问。

（2）<clinit>（）方法与类的构造函数不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>（）方法执行之前，父类的<clinit>（）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。

（3）由于夫类的<clinit>（）方法先执行，也就意味着夫类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。

（4）<clinit>（）方法对于类或接口来说并不是必需的，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。

（5）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接口的<clinit>（）方法，只有当父接口中定义的变量被使用时，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。

（6）虚拟机会保证一个类的<clinit>（）方法在多线程环境中被正确地加锁和同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<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，那就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

三、类加载器

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，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

2）双亲委派模型：

这张图表示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加载类外，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一般不会以继承的关系来实现，而是使用组合关系来复用父类加载器的代码。

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，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。

双亲委派模型的好处是：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。

双亲委派模型的实现非常简单：先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用夫加载器的loadClass()方法，若夫加载器为空则默认使用启动类加载器作为夫加载器。如果夫类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载。