深入理解JVM - 虚拟机类加载机制 - 第七章

类加载的时机
类从被加载到虚拟机内存开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括了：加载/验证/准备/解析/初始化/使用/卸载七个阶段。其中验证/准备和解析统称为连接（Linking）。

加载、验证、准备、初始化和卸载的顺序是确定的，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（也称为动态绑定或晚期绑定）。

加载时机：虚拟机规范并没有强制约束。
初始化时机：虚拟机规范严格规定有且只有情况必须立即对类进行“初始化”（加载/验证/准备/解析在此前开始）：
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。
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（包含 main() 方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
这四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，成为被动引用。

类的加载过程

加载

“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：

1）通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。
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。

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，然后在Java堆中实例化一个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。

验证
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。
不同虚拟机对类验证的实现可能不同，但大致会完成四个阶段的检验过程：文件格式验证/元数据验证/字节码验证和符号引用验证。
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。
主要目的是保证输入的字节流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。这个阶段的验证是基于字节流进行的，经过这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的。
2 元数据验证
第二阶段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语言规范要求。
3 字节码验证
第三阶段是验证阶段最复杂的阶段，主要工作是进行数据流和控制流分析。对类的方法体进行校验分析。主要任务是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行为。
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，这个转化动作将在连接的第三个阶段——解析阶段发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外（常量池的各种符号引用）的信息进行匹配性的校验。
目的是确保解析动作能正常执行，如果无法通过验证，将跑出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类。
验证阶段是非常重要的，但不一定是必要的阶段。，如果所运行的全部代码都已经被反复使用和验证过，在实施阶段可以考虑采用-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
正式为类变量分配内存并设置类变量初始值，这些内存将在方法区中进行分配。强调两个容易混淆的概念：
1）这时进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），不包括实例变量。
2）这里的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。
public static int value = 123;
准备阶段后value值为0，因为这时尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类结构器<clinit>()方法之中，将在初始化阶段执行。
“特殊情况”：如果类字段属性表中存在ConstantValue属性，则准备阶段变量被初始化为ConstantValue属性指定的值。
public static final int value = 123;
编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，准备阶段虚拟机根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

解析
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（Symbolic References）：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，引用的目标并不一定已经加载到内存。
直接引用（Direct References）：直接引用是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。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的，同一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。
解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号引用进行，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_in/CONSTANT_Fieldref_info/CONSTANT_Methodref_info/CONSTANT_InterfaceMethodref_info四种常量类型。

初始化
类初始化阶段是类加载过程的最后一步，在类加载过程，除了加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到初始化阶段，才真正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，变量已经赋值过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则是根据程序员通过程序指定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者可以从另外一个角度表达：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，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问。
2）<clinit>() 方法与类的构造函数（或者说实例构造器 <init>() 方法）不同，它不需要显示地调用父类构造器，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。
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、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，知道活动线程执行 <clinit>() 方法完毕。如果在一个类的 <clinit>() 方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞（需要注意的是，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行 <clinit>() 方法的那条线程退出 <clinit>() 方法后，其他线程唤醒之后不会再次进入 <clinit>() 方法。同一个类型只会初始化一次），在实际引用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

类加载器
虚拟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
类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在 Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。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。这句话可以表达得更通俗一些：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。
这里所指的 “相等”，包括代表类的 Class 对象的 equals() 方法、isAssignableFrom() 方法、isInstance() 方法的返回结果，也包括使用instanceof 关键字做对象所属关系判定等情况。如果没有注意到类加载器的影响，在某些情况下可能会产生具有迷惑性的结果。

package com.jvm.classloader;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

/**
 *  不同类加载器对instanceof关键字运算结果的影响
 * @author xxl
 *
 */
public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
        ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
                InputStream in = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                if(in == null){
                    return super.loadClass(name);
                }
                byte[] b = new byte[in.available()];
                    in.read(b);
                return defineClass(name, b, 0, b.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException(name);
                }
            }
        };

        Object myObj = myLoader.loadClass("com.jvm.classloader.ClassLoaderTest").newInstance();
        ClassLoaderTest obj = new ClassLoaderTest();

        System.out.println(myObj.getClass()); //class com.jvm.classloader.ClassLoaderTest
        System.out.println(myObj instanceof com.jvm.classloader.ClassLoaderTest); //false

        System.out.println(myObj.getClass().getClassLoader()); //com.jvm.classloader.ClassLoaderTest$1@7852e922
        System.out.println(obj.getClass().getClassLoader()); //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93
        //因为虚拟机中存在两个ClassLoaderTest类，一个是由应用程序类加载器加载的，另外一个是由我们自定义的类加载器加载的
        //虽然都来自同一个Class文件，但依然是两个独立的类
    }
}

双亲委派模型
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（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++ 语言实现（注：这里只限于 HotSpot，像MRP、Maxnie 等虚拟机，整个虚拟机本身都是由 Java 编写的，自然 Bootstrap ClassLoader 也是由 Java 语言而不是 C++ 实现的。退一步讲，除了 HotSpot 以外的其他两个高性能虚拟机 JRockit 和 J9 都有一个代表 Bootstrap ClassLoader 的 Java 类存在，但是关键方法的实现仍然是使用 JNI 回调到 C（注意不是C++）的实现上，这个 Bootstrap ClassClassLoader 的实例也无法被用户获取到。），是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都由 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，类加载器还可以划分得更细致一些，绝大多数 Java 程序都会使用到以下 3 种系统提供的类加载器。
1）启动类加载器（Bootstrap ClassClassLoader）：这个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，那直接使用 null 代替即可，如代码清单 7-9 所示为 java.lang.ClassLoader.getClassLoader() 方法的代码片段。
2）扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现，它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext 目录中的，或者被java.ext.dirs 系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
3）应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由 sun.misc.Launcher$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。

图中展示的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（Parents Delegation Model）。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（Inheritance）的关系来实现，而是都使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。
类加载器的双亲委派模型在 JDK 1.2 期间被引入并被广泛应用于之后几乎所有的 Java 程序中，但它并不是一个强制性的约束模型，而是 Java 设计者推荐给开发者的一种类加载器实现方式。
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。
使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是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 之中，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。如果有兴趣的话，可以尝试去编写一个与 rt.jar 类库中已有类重名的 Java 类，将会发现可以正常编译，但永远无法被加载运行（注：即使自定义了自己的类加载器，强行用 defineClass() 方法去加载一个以 “java.lang” 开头的类也不会成功。
双亲委派模型对于保证 Java 程序的稳定运作很重要，但它的实现却非常简单，实现双亲委派的代码都集中在 java.lang.ClassLoader 的 loadClass() 方法之中。逻辑清晰易懂：先检查是否已经被加载过，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。

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }