JVM虚拟机—JVM的类加载机制

1 什么是类的加载

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行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内的数据结构，并向程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

2 类的生命周期

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。其中类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。而准备、验证、解析3个部分统称为连接（Linking），如图所示。

加载、验证、准备、初始化和卸载这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地开始，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再开始，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）。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。

3 加载

查找并加载类的二进制数据，加载是类加载过程中的第一个阶段，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。
• 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。

相对于其他阶段而言，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。

Java虚拟机有预加载功能。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规范规定JVM可以预测加载某一个类，如果这个类出错，但是应用程序没有调用这个类， JVM也不会报错；如果调用这个类的话，JVM才会报错，（LinkAgeError错误)。其实就是一句话，Java虚拟机有预加载功能。

类加载器

类加载器的层次关系如下图：

站在开发人员的角度来看，类加载器可以划分为以下三类：

• 根类加载器：Bootstrap ClassLoader，负责加载存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.开头的类均被Bootstrap ClassLoader加载）。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。
• 扩展类加载器：ExtClassLoader，该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载JDK\jre\lib\ext目录中，或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
• 应用类加载器：AppClassLoader，该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，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。

根类加载器，是用c++实现的，我们没有办法在java层面看到；我们接下来看看ExtClassLoader的代码,它是在Launcher类中，

static class ExtClassLoader extends URLClassLoader

同时我们看看AppClassLoader，它也是在Launcher中，

static class AppClassLoader extends URLClassLoader

他们同时继承一个类URLClassLoader。

关于这种层次关系，看起来像继承，其实不是的。我们看到上面的代码就知道ExtClassLoader和AppClassLoader同时继承同一个类。同时我们来看下ClassLoader的loadClass方法也可以知道，下面贴出源代码：

private final ClassLoader parent;
 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
                            }
                return c;
                   }
              }

源码没有全部贴出，只是贴出关键代码。从上面代码我们知道首先会检查class是否已经加载了，如果已经加载那就直接拿出，否则再进行加载。其中有一个parent属性，就是表示父加载器。这点正好说明了加载器之间的关系并不是继承关系。

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，而是把请求委托给父加载器去完成，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中，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。

双亲委派模型意义：

• 系统类防止内存中出现多份同样的字节码
• 保证Java程序安全稳定运行

4.连接

验证

验证：确保被加载的类的正确性

验证的目的是为了确保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：

• 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。
• 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的动作在初始化阶段才会执行。

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。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。

比如 A类中的a方法引用了B类中的b方法，那么它会找到B类的b方法的内存地址，将符号引用替换为直接引用(内存地址)。

5.初始化

初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。

在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：

• 声明类变量时指定初始值
• 使用静态代码块为类变量指定初始值

JVM初始化步骤（没有父类的情况）：

1)类的静态属性
2)类的静态代码块
3)类的非静态属性
4)类的非静态代码块
5)构造方法

JVM初始化步骤（有父类的情况）：

1)父类的静态属性
2)父类的静态代码块
3)子类的静态属性
4)子类的静态代码块
5)父类的非静态属性
6)父类的非静态代码块
7)父类构造方法
8)子类非静态属性
9)子类非静态代码块
10)子类构造方法

在这要说明下，静态代码块和静态属性是等价的，他们是按照代码顺序执行的。

例子：

public class Singleton {
private static Singleton singleton = new Singleton();
public static int counter1;
public static int counter2 = 0;

private Singleton() {
    counter1++;
    counter2++;
}

public static Singleton getSingleton() {
    return singleton;
}

}

下面是我们的测试类TestSingleton

public class TestSingleton {
public static void main(String args[]){
    Singleton singleton = Singleton.getSingleton();
    System.out.println("counter1="+singleton.counter1);
    System.out.println("counter2="+singleton.counter2);

}
}

输出是：

counter1=1
counter2=0

我们一步一步分析：

1 执行TestSingleton第一句的时候，因为我们没有对Singleton类进行加载和连接，所以我们首先需要对它进行加载和连接操作。在连接的准备阶段，我们要给静态变量赋予默认初始值。

singleton =null
counter1 =0
counter2 =0

2 加载和连接完毕之后，我们再进行初始化工作。初始化工作是从上往下依次执行的，注意这个时候还没有调用Singleton.getSingleton();

首先 执行singleton = new Singleton();，这样会执行构造方法内部逻辑，进行++；此时counter1=1，counter2 =1 ；
接下来执行counter1;，我们并没有对它赋值，所以它不需要进行初始化；此时counter1=1，counter2 =1 ；

最后执行counter2 = 0;将counter2赋值为0，此时counter1=1，counter2 =0 ；

3 初始化完毕之后我们就要调用静态方法Singleton.getSingleton(); 我们知道返回的singleton已经初始化了，那么输出的内容也就理所当然的是1和0了。

参考：

深入理解Java类加载机制（一）

深入理解Java类加载机制（二）

02 Java类的加载机制

Java虚拟机类加载机制