死磕JVM：类加载机制

一、前言

在java代码编译后会生成class字节码文件，而在class字节码文件中的描述的各种信息最终都会被加载到jvm中来运行和使用，笔者是在通过阅读周志明的《深入理解Java虚拟机》第二版后，对书中类加载机制相关内容进行归纳、总结、整理后形成的本文，若想深入了解类加载机制或者JVM，笔者建议《深入理解Java虚拟机》是一个好的选择。

二、类加载的时机

类从被加载到jvm中到卸载出内存，它的整个生命周期为：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。其中加载、验证、准备、初始化、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的开始，而解析阶段却不一定，为了支持运行时绑定它可能在初始化后开始。这些阶段通常都是互相交叉混合进行，通常都在一个阶段的执行过程中调用、激活另外一个阶段。

什么时候进行类加载过程的第一个阶段？jvm规范中没有进行强制约束，可以交给虚拟机的实现来自由把握，。但初始化阶段，虚拟机规定了有5种情况必须立即对类进行初始化（而加载、验证、准备要在之前进行）：
（1）遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化，此处需要注意已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外。
（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，如果发现其父类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。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，则需要先对其进行初始化。

这5种场景中的行为称为对一个类的主动引用。除此之外，所有引用的类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

在《深入理解java虚拟机》书中举出了三个极为容易理解错的被动引用，先总结如下：
（1）通过子类引用父类的静态字段不会导致子类初始化。
（2）通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。
（3）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。

接口与类的初始化的有什么不同？当一个类在初始化时，要求其父类全部已经初始化了，但是在一个接口初始化时，并不要求其父接口全部门已经初始化了，只有在真正使用父接口的时候才会初始化。

三、类加载的过程

1.加载

（1）通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
（2）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。
（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接口。

2.验证

（1）文件格式验证。主要为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。主要为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 语言的规范。
（3）字节码验证。主要为将类的方法体进行校验分析，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。主要为对类自身以外（常量池中各种符号引用）的信息进行匹配性校验。这个校验发生在 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个阶段解析阶段发生。

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。这个时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的表量），而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随著对象一起分配在java堆中。初始值在通常情况下是数据类型的零值。如果类字段属性表中存在ConstantValue属性（final），那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所对用的值。

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，虚拟机规范中并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、invokestaic、invokevirtual、idc、idc_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。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。
5.初始化
初始化阶段是执行类构造器方法的过程。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，静态语句快中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中可以赋值，但不能访问。虚拟机会保证在子类的方法执行之前，父类的方法已经执行完毕，因此虚拟机中第一个被执行的方法肯定是java.lang.Object.

四、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，以便应用程序自己决定去如何获取所需要的类，实现这个动作的代码模块称为”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。

2.类加载器分类

从java虚拟机的角度来讲，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；另外一种就是所有的其他类加载器，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.按照Java开发者的角度可以把类加载器分为三类：启动类加载器、扩展类加载器（它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的或者被java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用）、应用程序类加载器（一般情况下是程序中默认的类加载器）。

3。双亲委派模型

双亲委派模型要求除了启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。类加载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。它的工作流程是：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时，子加载器才会尝试加载。

4.破坏双亲委派模型

（1）为了解决基础类要调用回用户的代码，java设计团队曾引入了一个线程上下文类加载器，这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassloaser()方法进行设置，如果创建线程时未设置，它会从父线程继承一个，如果应用程序的全局范围内都没有设置过，则默认就是应用程序类加载器，通常使用在JNDI、JDBC、JCE、JAXB、JBI等涉及SPI操作，这些服务通过线程上下文类加载器去加载所需要的SPI代码，也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载，这种行为实际上打破了双亲委派模型。
（2）用户追求对程序动态性（代码热替换、模块热部署等等），例如业界著名的OSGI。

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