虚拟机类加载机制

虚拟机类加载机制

一、概述

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。

类的加载、连接、初始化都是在程序运行期间完成。

二、类加载时机

类的生命周期：加载(loading) --> 验证(verification) --> 准备(preparation) --> 解析(resolution) --> 初始化(initialization)
--> 使用(using) --> 卸载(unloading)。其中验证、准备、解析三个部分统称连接(linking)。

1、虚拟机规范确定5种情况必须立刻对类进行初始化(加载、验证、准备在此之前开始)：

• 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时；java代码场景： 使用new
  实例化对象、读取、设置类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）、调用类的静态方法。
• 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候。
• 初始化一个类时，发现其父类没有进行过初始化，则先触发其父类的初始化。（接口在真正使用父接口的时候才初始化）
• 虚拟机启动时，用户需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。
• 使用jkd 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，并且这个方法句柄对于的类没有进行初始化。

有且只有这五种场景对主动触发初始化，这种行为成为主动引用。

2、所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

被动引用：

• 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。静态字段只有直接定义这个字段的类才会被初始化，通过其子类来引用父类中定义的
  静态字段，只会触发父类初始化不触发子类初始化。

    public class SuperClass {
        static {
            System.out.println("SuperClass init!");
        }
    
        public static int value = 123;
    }
    
    public class SubClass extends SuperClass {
        static {
            System.out.println("SubClass init!");
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
    
    输出结果：
    SuperClass init!
    123

• 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。

  public static void main(String[] args) {

   SuperClass[] su = new SuperClass[2];

  }

  什么都没有输出

• 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类的初始化。

  public class ConstClass {

  static {
      System.out.println("ConstClass init!");
  }
  
  public static final String HELLO_WORLD = "hello world";

  }

  public static void main(String[] args) {

  System.out.println(ConstClass.HELLO_WORLD);

  }

  输出结果：
  hello world

三、类加载过程

类加载过程包括：加载、验证、准备、解析、初始化

1、加载阶段

虚拟机主要要完成：

• 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访问入口

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中。

类加载：自定义类的加载器；系统提供引导类加载器

2、验证阶段

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，不会危害虚拟机自身的安全

2.1 文件格式验证

验证字节流是否符合Class文件格式规范，并且能够被当前版本虚拟机处理

• 是否以魔数0xCAFEBABE开头
• 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围内
• 常量池的常量中是否有不被支持额常量类型
• 等等

主要目的：包装输入的字节流能正确的解析并存储在方法区内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。
只有通过验证，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，后续的验证阶段全部是几区方法区的存储结构进行的。

2.2 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

• 这个类是否有父类
• 这个类父类是否继承了不允许继承的类
• 这个类是不是抽象类，是否实现了父类或者接口中要求实现的所有方法
  ......

2.3 字节码验证

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。
校验类的方法体，保证被校验类在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件

2.4 符号引用校验

对类自身以外的信息进行匹配校验

• 符号引用中通过字符串描述全限定名是否能找到对应类
• 指定类中是否存在符合方法的字段描述
• 符合引用中的类、字段、方法的访问性是否可被当前类访问

目的：确保解析动作能够正常执行
发生在虚拟机将符号引用转换为直接引用时

3、准备

准备阶段是正式为类变量（被static修饰的变量）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分配。
例如，在准备阶段将value的值赋为0，在初始化的时候，设为123；

    public static int value = 123;
    

基本数据类型的零值

特殊情况：字段属性为ConstantValue属性，则会在准备阶段赋值，如

    
    public static final int value = 123 ;

4、解析

解析阶段：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，符号可以是任意形式的字面量，符号引用目标不一定加载到内存中
• 直接引用：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。引用目标必须已经在内存中。
  解析目标：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

5、初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，也是真正开始执行类中定义java程序代码（或者说字节码）。
在准备阶段，变量已经赋过一场系统要求的初始值，初始化阶段根据程序员通过程序设定的值；
或者说：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

• <clinit>()方法由编译器自动收集类中所有变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中语句合并产生的，编译器收集顺序由语句在
  源文件中出现的顺序所决定的，静态语句块只能访问到定义在静态语句块之前的变量；

定义在之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但不能访问。

• <clinit>()方法与类的构造函数（或者说实例构造器<init>()）不同，它不需要显示地调用父构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>()
  方法执行前，父类的<client>()方法已经执行完毕，因此第一个执行的<clinit>()方法类肯定是java.lang.Object
• 由于父类的<client>()方法先执行，也就是说父类中定义静态语句块优先于子类的变量赋值操作。
• <clinit>()如果一个类中没有静态语句块和对变量赋值的操作，则不会生成<clinit>()方法.
• 接口中不能有静态语句块，但与变量初始化赋值操作，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使用时，父接口才会初始化。

接口的实现类在初始化是不执行接口的<clinit>()方法。

• 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程中被正确的加锁，同步；如果有多个线程去初始化一个类，那么只有一个线程
  去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都阻塞等待。

四、类加载器

通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流，这个动作在Java虚拟机外部实现，让应用程序自己决定如何获取所需的类，实现
这个动作的代码模块称为类加载器。

对于任意一个类，都需要由加载他的类加载器和这个类本身一同确立在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。
也就是说：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，即使这两个类源于同一个Class文件，
被同一个虚拟机加载，只要加载它们打的类加载器不同，这两个类就比定不相等。

1、双亲委派模型

对于虚拟机来说，存在两种类加载器：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），是虚拟机自身的一部分;
• 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，都继承抽象类java.lang.ClassLoader

启动类加载器：将放在<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加载
到虚拟机内存中。无法被java程序直接引用

扩展类加载器（Extension ClassLoader）:由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，负责加载<JAVA_HOME>libext目录的，
或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类，开发者可直接使用。

应用程序类加载器（Application ClassLoader）:由sun.misc.Launcher$AppCLassLoader实现。这个类加载器是ClassLoader中
getSystemClassLoader()方法的返回值，故也称为系统加载器。负责加载用户类路径上所指定的类库，开发者可直接使用，如果没有
自定义自己的类加载器，这个就是默认的类加载器。

双亲委派模型：要求除顶层的启动类加载器外，其他加载器都应当有自己的父加载器。

工作过程：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己尝试加载这个类，而是把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，子类加载器才会尝试自己加载。