深入理解Java虚拟机之类的加载机制
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代码编译的结果从本地机器转变为字节码，是存储格式发展的一小步，却是编译语言发展的一大步。
概述
类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入内存中，将其放在时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区的数据结构，并且向Java程序员提供访问方法区内的数据结构的接口。
类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError错误）如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。
类加载时机
类从被加载到虚拟机内存中，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接。
其中类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中，加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的，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开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。
类加载过程
类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。
加载
查找并加载类的二进制数据。加载是类加载过程的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：
- 通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。（全限定名=包名+类名）
- 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，作为对方法区中这些数据的访问入口。
类的加载有三种方式：
- 1、命令行启动应用时候由JVM初始化加载
- 2、通过
Class.forName()方法动态加载 - 3、通过
ClassLoader.loadClass()方法动态加载
相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段（准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。
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，而且在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。
验证
验证：确保被加载的类的正确性
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。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：
- 文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以
0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。 - 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了
java.lang.Object之外。 - 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。
- 符号引用验证：确保解析动作能正确执行。
验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone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：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值
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：
- 1、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。
- 2、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。
假设一个类变量的定义为：public static int value = 3；
那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为3的public static指令是在程序编译后，存放于类构造器<clinit>（）方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。
这里还需要注意如下几点：
- **对基本数据类型来说，**对于类变量（static）和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。
- 对于同时被static和final修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。
- 对于引用数据类型reference来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即null。
- 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。
- 3、如果类字段的字段属性表中存在
ConstantValue属性，即同时被final和static修饰，那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstValue属性所指定的值。
假设上面的类变量value被定义为： public static final int value = 3；
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3。我们可以理解为static final常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中
解析
解析：把类中的符号引用转换为直接引用
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。【Java常量池理解与总结】
符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。
直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。
初始化
初始化阶段即虚拟机执行类构造器
- 声明类变量是指定初始值
- 使用静态代码块为类变量指定初始值
<clinit>()方法是有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{}中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是有语句在源文件中出现的顺序所决定的。注意：静态代码块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义之后的变量，在前面的静态语句块 可以赋值，但是不能访问。- 与类的构造函数（或者说实例构造器
<init>()）不同，不需要显式的调用父类的构造器。虚拟机会自动保证在子类的<clinit>()方法运行之前，父类的<clinit>()方法已经执行结束。因此虚拟机中第一个执行<clinit>()方法的类肯定为java.lang.Object。- 由于父类的
<clinit>()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优于子类的变量赋值操作。<clinit>()方法对于类或接口不是必须的，如果一个类中不包含静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，编译器可以不为该类生成<clinit>()方法。- 接口中不可以使用静态语句块，但仍然有类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使用时，父接口才会初始化。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。- 虚拟机会保证一个类的
<clinit>()方法在多线程环境下被正确的加锁和同步，如果多个线程同时初始化一个类，只会有一个线程执行这个类的<clinit>()方法，其它线程都会阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时的操作，就可能造成多个进程阻塞，在实际过程中此种阻塞很隐蔽。
JVM初始化步骤
- 1、假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类
- 2、假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类
- 3、假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句
类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种：
- 创建类的实例，也就是new的方式
- 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
- 调用类的静态方法
- 反射（如
Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)） - 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
- Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（
Java Test），直接使用java.exe命令来运行某个主类
类加载器
从Java虚拟机的角度来讲，只存在一下两种不同的类加载器：
- 一种是启动类加载器（
Bootstrap ClassLoader），这个类加载器用C++实现，是虚拟机自身的一部分。 - 另一种就是所有其他类的加载类，这些类由Java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 开发人员的角度看，类加载器可以划分得更细致一些：
- 启动类加载器（
Bootstrap ClassLoader） 此类加载器负责将存放在<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（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在 lib 目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。 启动类加载器无法被 Java 程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，直接使用 null 代替即可。 - 扩展类加载器（
Extension ClassLoader） 这个类加载器是由ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）实现的。它负责将<Java_Home>/lib/ext或者被java.ext.dir系统变量所指定路径中的所有类库加载到内存中，开发者可以直接使用扩展类加载器。 - 应用程序类加载器（
Application ClassLoader） 这个类加载器是由AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）实现的。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，因此一般称为系统类加载器。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。
JVM类加载机制
- 全盘负责：当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖的和引用的其他Class也将有该类加载器负责加载，除非显式使用另外一个类加载器来加载。
- 父类委托：先让父类加载器试图加载该类，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类。
- 缓存机制：缓存机制将会保证所有加载过的
Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区寻找该Class，只有缓存区不存在，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象，存入缓存区。这就是为什么修改了Class后，必须重启JVM，程序的修改才会生效。
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，而是把这个请求委托给父加载器完成，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，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。
双亲委派机制:
- 1、当
AppClassLoader加载一个class时，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。 - 2、当
ExtClassLoader加载一个class时，它首先也不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader去完成。 - 3、如果
BootStrapClassLoader加载失败（例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到该class），会使用ExtClassLoader来尝试加载； - 4、若
ExtClassLoader也加载失败，则会使用AppClassLoader来加载，如果AppClassLoader也加载失败，则会报出异常ClassNotFoundException。
好处
使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，使得 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。
例子：
例如类 java.lang.Object，它存放再rt.jar中，无论哪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，如果没有双亲委派模型，由各个类加载器自行加载的话，如果用户编写了一个称为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，程序将变得一片混乱。如果开发者尝试编写一个与 rt.jar 类库中已有类重名的 Java 类，将会发现可以正常编译，但是永远无法被加载运行。
参考资料
文章作者 Michaeljian
上次更新 2018-03-11