JVM虚拟机（五）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，这就是虚拟机的类加载机制。

在java语言里，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的，这种策略虽然会令类加载时稍微增加一些性能开销，但是得会为Java应用程序提供高度的灵活性，Java里天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。

1.类加载的时机

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，其中验证、准备和解析3个部分统称为连接（Linking），这7个阶段发生的顺序如下：

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类加载过程必须按照这种顺序按部就班的开始，而解析阶段不一定：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）。这里说按部就班的“开始”，强调这点是因为这些阶段通常都会在互相交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段执行过程中调用、。激活另外一个阶段。

什么时候加载由虚拟机具体实现具体把握。但是初始化阶段，虚拟机规范有了严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然在此之前开始）：

    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，则需先触发初始化。

    2).使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果没有进行过初始化，则需要先触发初始化。

    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。

    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，则需要先触发其初始化。

接口与类真正有所区别的是前面讲述的5中“有且仅有”需要开始初始化场景中的第3种：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化了，但是一个接口初始化时，并不要求其父类接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父类接口的时候才会初始化。

2.类加载的过程

类加载全过程，也就是加载、验证、准备、解析和初始化这5个阶段所执行的具体操作。

2.1加载

“加载”是“类加载”过程中的一个阶段，希望读者没有混淆这两个看起来相似的名词。在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：

    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）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入口。

虚拟机规范的这3点要求其实并不算具体，因此虚拟机实现与具体应用的灵活度都是相当大的。

相对于类加载过程的其他阶段，一个非数组类的加载阶段是开发人员可控性最强的，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器区完成，开发人员可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式（即重写一个类加载器的loadClass（）方法）。

对于数组类而言，情况就有所不同，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型（Element Type，指的是数组去掉所有维度的类型）最终是要靠加载器区创建，一个数组类（下面简称为C）创建过程就遵循以下规则：

    如果数组的组件类型（Component Type，指的是数组去掉一个维度的类型）是引用类型，那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组C将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识。

    如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联。

数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组的可见性将默认为public。

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，方法区中的数据存储格式有虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个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。

2.2 验证

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。

字节码文件可以使用多种突降产生。虚拟机如果不检查输入的字节流。很可能导致系统崩溃。所以验证是非常重要的，这个阶段是否严谨，直接决定了虚拟机是否能承受恶意代码的攻击。如果验证的字节流不符合Class文件格式的约束，虚拟机应抛出一个java.lang.VerifyError异常或子类异常。

验证阶段大致上完成4个阶段的检验动作：文件格式的验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

    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。这一阶段可能包括下面这些验证点：

        是否以魔数0xCAFEBABE开头。

        主、此版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。

        常量池的常量中是否有不被支持的常量类型（查看常量tag标志）。

        指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或者不符合类型的常量。

        CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。

        Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。

        ……

    这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存区中进行存储，所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会直接操作字节流。

    元数据验证

    第二阶段是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，这个阶段包括的验证点如下：

        这个类是否有父类（除了Object类之外，所有类都应当有父类）。

        这个类的父类是否继承了 不允许被继承的类（被final修饰的类）。

        如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的方法。

        类中的字段、方法、是否与父类产生矛盾（如：覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的方法重载（如：方法参数都一致，但返回类型却不同））

        ……

第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保存不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

    字节码验证

    第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是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。这个阶段将对类的方法体进行校验分析，保证被校验的方法在运行时不会在做出危害虚拟机安全的事件。

    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阶段——解析阶段发生。符号引用验证可以看作是对类自身以外的信息进行匹配性校验：

        符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。

        在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称多描述的方法和字段。

        ……

    符号引用验证的目的是确保解析动作能正常运行。

    对于虚拟机类加载机制来说。验证阶段是非常重要的、但不是一定必要的阶段。如果所运行的全部代码都已经被反复的使用和验证过，那么实施阶段可以考虑使用-Xverify:none参数关闭打不上分的类验证措施。

2.3 准备

准备阶段是正式为类变量（static修饰）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是在方法区中进行分配。

强调两个易混淆的概念：

    首先，这时候内存分配的仅包括类变量（static修饰的变量），而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在java堆中。

    其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。在一些“特殊情况”下：如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量值就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值。（如：public static final int value = 123;）

2.4 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。在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现，那解析阶段中所说的直接引用与符号引用又有什么关联呢？

符号引用（Symbolic References）：符号引用以一组符号来描述多引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。

直接引用（Direct References）：直接引用可以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。直接引用是和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上翻译出来的直接引用一般不会相同。

虚拟机规范之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、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_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。所以虚拟机实现可以根据需要来判断到底是在类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析，还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它。

除invokedynamic指令以外，虚拟机实现都可以对第一次解析的结果进行缓存从而避免解析动作重复进行。无论是否真正执行了多次解析动作，虚拟机需要保证的是在同一个实体中，如果一个符号引用之前已经被成功解析过，那么后续的引用解析请求就应当一直成功；同样的，如果第一次解析失败了，那么其他指令对这个符号的解析请求也应该收到相同的异常。

对于invokedynamic指令，上面规则不成立。当碰到某个前面已经由invokedynamic指令触发过解析得符号引用时，并不意味着这个解析结果对于其他invokedynamic指令也同样生效。因为invokedynamic指令的目的本来就是用于支持动态语言支持，它所对应的引用称为“动态调用点限定符”。这里“动态”的含义是必须等到程序实际运行到这条指令的时候，解析动作才能进行。其余触发解析的指令都是“静态”的，可以在刚刚完成加载阶段，还没有开始执行代码时就进行解析。

解析动作只要针对类或接口、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，分别对应于常量池的

CONSTANT_Class_info、

CONSTANT_Fieldref_info、

CONSTANT_Methodref_info、

CONSTANT_InterfaceMethodref_info、

CONSTANT_MethodType_info、

CONSTANT_MethodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info7种常量类型。

下面讲解前4种引用的解析过程：

    类或接口的解析

    假设当前代码所处的类为D，如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用，那么虚拟机完成整个解析过程需要以下3个步骤：

        1）如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器区加载这个类C。

        2）如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会类似"[Ljava/lang/Integer"的形式，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型。如果N的描述如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。

        3）如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或借口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

    字段解析

    要解析一个未被解析过得字段符号引用，首先将会对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。如果解析这个类或接口引用过程中出现了异常，都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功完成，那江浙字段所属类或接口用C表示，虚拟机规范要求按如下步骤对C进行后续字段搜索：

        1）如果C本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。

        2）否则，如果在C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的接口，如果接口找那个报刊了简单名称和字段描述符斗鱼目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。

        3）否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符与目标匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。

        4）否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

如果查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

    类方法解析

    类方法解析的第一步与字段解析一样，也需先解析类方法表中的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，我们依然使用C表示这个类，接下来按如下步骤进行后续的类方法的搜索：

        1）类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现了class_index中索引的C是个接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。

        2）如果通过了第1步，在类C中查找是否有简单明和描述符与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。

        3）否则，在类C的父类中递归查找是否有简单名和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束

        4）否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口中递归查找是否有简单名和描述符都与目标相匹配的方法，如果存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，这时查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

        5）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常

如果查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

    接口方法解析

    接口方法解析需先解析类方法表中的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，我们依然使用C表示这个类，接下来按如下步骤进行后续的接口方法的搜索：

        1）与类方法解析不同，如果在接口方法表中发现了class_index中索引的C是个类而不是接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。

        2）否则，在接口C中查找是否有简单明和描述符与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。

        3）否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类（查找范围会包括Object类）为止，看是否有简单名和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束

        4）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常

由于接口中的所有方法默认都是public的，所以不存在访问权限问题，因此接口方法的符号解析应当不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

2.5 初始化

初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面类加载过程，除了在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。到了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）。

在初始化阶段，根据程序员通过程序制定的主观计划初始化类变量和其他资源，或者可以从另外一个表达：初始化阶段执行类构造器<clinit>()放的的过程。

<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，在前面的语句块可以赋值，但不能访问。

<clinit>()方法与类的构造器（或者说实例构造器<init>()的方法），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。

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会优先于子类的变量复制操作。

<clinit>()方法对于类或者接口来说并不是必须的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，纳闷编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法。

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。

虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在堆线程环境中被正确的加锁、同步，如果多个线程同时区初始化一个类，那么会有一个线程区执行这个类<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。

3 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，每个类加载器，都有一个独立的类名称空间。

比较两个类是否“相等”，只有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Class文件，被同一个虚拟机加载，只有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instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。

双亲委派机制

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++实现，是虚拟机自身的一本分；另外一种是所有其他的类加载器，这些类加载器都有java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自java.lang.ClassLoader。

对于Java开发人员的角度来看，类加载器还可以划分得更细致些，绝大部分Java程序都会使用到以下3种系统提供的类加载器。

    启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：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，并且是虚拟界识别的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。以下是ClassLoader.getClassLoader()代码：

，

    扩展类加载器（Extension ClassLoader）:这个加载器由sun.misc.Lanuncher $ExtClassLoader实现，它负责加载<JAVA_HOMEM>\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。

    应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由sun.misc.Lanuncher $App-ClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法返回的值，所以一般也称为系统类加载器。他负责加载用户类路径（classpath）上所指定的类库，开发者没哟自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是默认的类加载器，

我们的应用程序都是由这3种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自己定义的类加载器。这些类加载器之间的关系一般如下图：

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。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该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的关系实现，而是都是用组合的关系来复用父加载器的代码。

双亲委派模型的工作过程：如果一个类加载器收到了类加载的请求，他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找那个，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，自加载器才会尝试自己去加载。

实现双亲委派模型的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass（）方法之中，如下图：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类加载器的loadClass（)方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器。如果父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，在调用自己的findClass（）方法进行加载。

参考书籍：《深入理解虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》（第二版）