虚拟机系列之 虚拟机类加载机制

类加载机制

1 概述

在class文件中描述的各种信息，最终都需要加载到虚拟机中之后才能被运行和使用。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。

与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同，在java语言里面，类型的加载和连接过程都是在程序运行期间完成的，这样会在类加载时稍微增加一些性能开销，但是却为java应用程序提供高度的灵活性，java中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。

2 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，它的整个生命周期如下：

什么时候开始加载虚拟机中并没有强制约束，但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有四种情况必须立即对类进行“初始化”。

举例如下：

1. 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化，也就是说，只有直接定义这个字段的类才会被初始化。
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，本质上没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。

3 类加载的过程

以下将详细描述类加载的全过程：加载、验证、准备、解析和初始化这五个阶段的过程。

1）加载

注：“加载”阶段是“类加载”过程的一个阶段，不要混淆。
在加载阶段，虚拟机要完成以下三件事情：

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. 在java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口。

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。不同的虚拟机对类验证的实现可能会有所不同，但大致上都会完成下面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，符号引用验证。

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，这些内存都将在方法区中进行分配。
注：

1. 这时候进行内存分配的仅包括类变量（被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。
2. 这里所说的初始值“通常情况下”是数据类型的零值。
   假设有代码如下：

public static int value = 123;

变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123。因为这时候尚未开始执行任何java方法，而把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会被执行。

注：上面提到，在“通常情况下”初始值是零值，那相对的会有一些特殊情况，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value就会被初始化为ContantValue属性所指定的值。假设上面类变量value的定义变为：

public static final int value = 123;

编译时javac将会为value生成ContantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

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。
个人理解：

符号引用就是字符串，这个字符串包含足够的信息，以供实际使用时可以找到相应的位置。你比如说某个方法的符号引用，如：“java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V”。里面有类的信息，方法名，方法参数等信息。
当第一次运行时，要根据字符串的内容，到该类的方法表中搜索这个方法。运行一次之后，符号引用会被替换为直接引用，下次就不用搜索了。直接引用就是偏移量，通过偏移量虚拟机可以直接在该类的内存区域中找到方法字节码的起始位置。\

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。

5）初始化

到了初始化阶段，才开始真正执行类中定义的java程序代码。
在准备阶段，变量已经赋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制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。
初始化阶段是执行类构造器（clinit（））方法的过程。
注意：

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中可以赋值，但是不能访问。

clinit方法与类的构造函数不同，它不需要显式的调用父类构造器，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；
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 类加载器

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被称为“类加载器”。

1）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。更通俗一些的解释是：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之下才有意义，否则，即使这两个类是来源于同一个class文件，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

2）双亲委派模型

类加载器的分类：

重点，双亲委派模型的含义：

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，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。

好处：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，一个名字的就是一个类，也只有这一个类。

3）破坏双亲委派模型

上文提到的双亲委派模型并不是个强制的约束模型，而是推荐用的。被破坏过。懒得看了。