虚拟机类加载机制

概述

• 虚拟机如何加载Class文件？
• Class文件中的信息进入到虚拟机后会发生什么变化？

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

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)

Java虚拟机规范中并没有强制约束什么情况下需要开始类加载过程，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，虚拟机规范则严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行”初始化”(而加载、验证、准备需要在此之前开始)：

• 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、读取或设置一个类的静态字段(被final修饰、已在编译期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
• 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
• 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
• 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类
• 当使用JDK 1.7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

有且只有以上5种场景会触发类进行初始化操作，这5种场景中的行为称为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触发初始化，称为被动引用

接口的加载过程与类加载过程稍有一些不同，接口也有初始化过程，区别在于：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候(如引用接口中定义的常量)才会初始化

类加载的过程

加载

在加载阶段，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

加载阶段与连接阶段的部分内容(如一部分字节码文件格式验证动作)是交叉进行的

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。验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检验动作：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文件格式的规范，并且能否被当前版本的虚拟机处理。该验证阶段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，格式上符合描述一个Java类型信息的要求
• 元数据验证：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
• 字节码验证：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
• 符号引用验证：发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生

对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要的阶段，如果所运行的全部代码都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段就可以考虑使用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间

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进行分配。这个时候进行内存分配的仅包括类变量(被static修饰的变量)，而不包括实例变量，实例变量将在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中，初始值”通常情况”(final修饰的除外)下是数据类型的零值

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

• 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
• 直接引用：可以直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄

虚拟机规范中未规定解析阶段发生的具体时间，只要求了在执行anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield和putstatic这16个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用的符号引用进行解析

对同一符号引用进行多次解析请求是很常见的事情，除invokedynamic指令外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存(在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标识为已解析状态)从而避免解析动作重复进行

对于invokedynamic指令，它所对应的引用称为”动态调用点限定符”，这里”动态”的含义就是必须等到程序实际运行到这条指令的时候，解析动作才能进行

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

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，其余动作完全有虚拟机主导和控制，到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码

初始化阶段是执行类构造器<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
• <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<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕
• 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、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

类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的”通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让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”

类与类加载器

每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间

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，这些类加载器由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader

从Java开发人员的角度来看，绝大部分Java程序都会使用到以下三种系统提供的类加载器

• 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：这个类加载器负责将存在<JAVA_HOME>\lib目录中的，或者被-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
• 扩展类加载器(Extension ClassLoader)：这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器
• 应用程序类加载器(Application ClassLoader)：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现，由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径(ClassPath)上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器

类加载器之间的关系如图所示

类加载器之间的这种层次关系，称为类加载器的双亲委派模型，双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当由自己的父类加载器。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，而是都使用组合关系来复用父加载器的代码

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应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父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

实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中：先检查类是否已经被加载过，若没有加载则调用父加载器的loadClass()方法，若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