Java类加载机制-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/xdweleven/article/details/38331569

第七章虚拟机类加载机制

7.1 概述

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，类型的加载和链接过程都是在程序运行期间完成的，这样虽然会在类加载时增加一些开销，但却能为程序提供高度的灵活性，Java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。

7.2 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，它的整个生命周期包括了：加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)七个阶段。其中验证、准备、解析统称为连接(Linking)。其示意图如下图所示：

为了支持Java语言的运行时绑定(动态绑定或晚期绑定)，类的加载过程必须按照加载、验证、准备、初始化和卸载这五种顺序开始，而解析则不一定，它在某些情况下可以在初始化之后在开始。关于类加载时机，虚拟机规范中并没有进行强制约束，交给虚拟机的具体实现来自由把握，但对于初始化阶段，虚拟机严格规定了"有且只有四种"情况必须进行类初始化：

遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条指令时，若类没有进行初始化，则需先触发其初始化，例如使用new关键字实例化对象、读取或设置一个类的静态字段、调用一个类的静态方法；
使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时，若类没有初始化，则需先触发其进行初始化；
初始化一个类时，若发现其父类还没有进行过初始化，则需先触发其父类的初始化；
当虚拟机启动时，用户需要制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类。

上述四种场景中的行为称为对一类的主动引用，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。

接口的加载过程与类加载过程类似，编译器会为接口生成"<clinit>"类构造器，用于初始化接口中定义的成员变量，且一个接口在初始化时，无需要求其父类接口全部完成初始化，只有真正用到父类接口的时候(如引用接口中的常量)才会初始化。

7.3 类加载的过程

1) 加载：加载阶段是类加载过程的一个阶段，它主要完成以下三件事：

通过一个类的全限定名来获取定义该类的二进制字节流；
将这个字节流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，作为方法区这些数据的访问入口。

由于虚拟机规范对以上三点的要求并不具体，即类的二进制字节流的来源并不作限定，相对于类加载过程的其他阶段，加载阶段是开发期可控性最强的阶段，因为加载阶段既可以使用系统提供的类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载去完成，开发人员通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式。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中，方法区中的数据存储格式由虚拟机自行定义实现，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构，然后在java堆中实例化一个java.lang.Class类的对象作为程序访问方法中的这些类型数据的外部接口。另外，加载阶段与连接阶段的部分内容是交叉进行的。

2) 验证：连接阶段的第一步，这一步的目的是为了确保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。不同虚拟机对类验证的实现方式会有所不同，大致都会完成这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。

文件格式验证：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，如是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号等；该阶段验证的目的是保证输入的字节流能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；该阶段的验证是基于字节流进行的，经过该阶段后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，因此，后面三个验证都是基于方法区的存储结构进行的。
元数据验证：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规范的要求，如验证这个类是否有父类、该类的父类是否继承了不允许被继承的类等；
字节码验证：主要工作是进行对数据流与控制流的分析，以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，如保证跳转指令不会跳转到方法体意外的字节码指令上等；
符号引用验证：对类自身以外(常量池中的各种符号引用)的信息进行匹配性校验，以确保解析动作能正常执行，如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、符号引用中的类、字段、方法的访问性是否可被当前类访问等。

总之，验证阶段对于虚拟机的加载机制来说，是一个非常重要、但并不一定是必要的阶段。若确定代码无异常，可使用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载时间。

3) 准备：准备阶段是正式为类变量分配类存并设置类变量(被static修饰的变量，不包括实例变量，实例变量在对象实例化时随对象分配到Java堆中)初始值的阶段，这些内存都在方法区中进行分配，通常情况下，类变量在此阶段初始值都为零值，零值表如下所示，另外，用final修饰类变量，此阶段将会被直接赋值。

4) 解析：解析阶段是虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程，其中：

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，与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标不一定已经加载到内存中；
直接引用：可直接指向目标的指针、相对偏移量或一个能间接定位到目标的句柄，与虚拟机实现的内存布局相关，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般会不同。若有了直接引用，则引用的目标必定在内存中存在。

5) 初始化：类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义的类加载器参与之外，其余动作由虚拟机主导和控制；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指定的主观计划去初始化类变量和其他资源，即初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

7.4 类加载器

类与类加载器：对于任意一个类，都需要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，即比较两个类相等时，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，即使两个类来自同一个Class文件，若类加载器不同，那这两个类必定不相等，示例代码如下：

          /*
           * 类加载器与 instanceof关键字演示
           */
          public class Test {
           public static void main(String[] args) throws Exception{
            ClassLoader myLoader = new ClassLoader(){
                   @Override
                   public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException{
                         try {
                              String fileName = name.substring(name.lastIndexOf("." ) + 1)+".class";
                              InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                               if(is == null){
                                     return super .loadClass(name);
                              }
                               byte[] b = new byte[is.available()];
                              is.read(b);
                               return defineClass(name, b, 0, b.length );
                        }  catch (IOException e) {
                               throw new ClassNotFoundException(name);
                        }
                  }
            };
             // 通过自定义的类加载器加载指定类
            Object obj = myLoader.loadClass("com.xdw.test.Test" ).newInstance();
            System. out.println(obj.getClass()); // 输出为：com.xdw.text.Test
            System. out.println(obj instanceof com.xdw.test.Test); // 结果为false
           }
          }

分析：返回false的原因是虚拟机中存在了两个Test类，一个是系统应用程序类加载器加载的，另一个是由我们自定义的类加载器加载的，虽然来自同一个Class文件，但依然是两个独立的类，做对象所属类型检查时结果自然为false.