【基础知识】Java——JVM类加载

Java程序实际上是将class文件放入JVM中运行，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食用的Java类型，这就是JVM的类加载机制。

一、类加载机制概述

　　Java类编译成Class字节码的相关描述和信息，但是Java虚拟机如何才能按照Class字节码中描述的内容进行运用和使用呢？这个就需要JVM的类加载机制对其进行规范和约束；虚拟机把类的数据从Class文件（这里的Class文件可以是javac编译成的class文件，也可以是反射或者动态代理生成的class二进制流，或者网络传输的二进制流等等）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类型的过程就是虚拟机的类加载机制。

　　JVM类加载机制主要包括两个问题：类加载的时机与步骤、类加载的方式。

　　与在编译时需要进行链接工作的语言不通，Java语言里面，类型的加载、链接和初始化过程都是在程序的运行期间完成的，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链接特点实现的。例如，如果编写一个面向接口的应用程序，可以等到运行时再指定其实际的实现类；用户可以通过Java预定义的和自定义类加载器，让一个本地的应用程序可以在运行时从网络或者其他地方加载一个二进制流作为程序代码的一部分，这种组装应用程序的方式目前广泛应用于Java程序中。对于Java的类加载会产生如下问题：

　　1、虚拟机什么时候才会加载Class文件并初始化类？

　　2、虚拟机如何加载一个Class文件？

　　3、虚拟机加载一个Class文件要经历哪些具体的步骤？

 

二、类加载的时机

　　Java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）七个阶段。

　　加载、验证、准备、初始化和卸载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后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称动态绑定或者晚期绑定）。注意：类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而不是按部就班地进行或者完成，因为这些阶段通常都是相互交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

　　2.1 类加载的时机

　　Java虚拟机规范中并没有强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。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5种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始），具体有5种情况：

　　（1）遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令

　　（2）使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候

　　（3）初始化类时，父类没有被初始化，先初始化父类

　　（4）虚拟机启动时，用户指定的主类（包含main）

　　（5）当使用jdk 1.7动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例解析出REF__pubstatic，REF_invokestatic方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行初始化。

　　以上五种场景行为被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，称为被动引用。

　　其中，第一点主要解释为：（1）使用new关键字实例化对象；（2）读取类的静态变量（被final修饰，已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）；（3）设置类的静态变量；（4）调用一个类的静态方法，需要注意：new array指令触发的只是数组类型本身的初始化，而不会导致其相关类型的初始化。

　　类的实例化和类的初始化是两个完全不同的概念：类的实例化是指创建一个类的实例的过程；类的初始化是指为类各个成员赋初始值的过程，是类生命周期中的一个阶段。

　　2.2 被动引用常见的三种场景

　　1、通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化

　　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，本质上并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

 

三、类加载过程

　　类从加载虚拟机内存中开始到卸载出内存为止，生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。

　　3.1 加载（Loading）

　　在加载阶段，虚拟机需要完成三件事情：

　　（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；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访问入口。

　　3.2 验证（Verification）

　　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。验证阶段大致会完成资格阶段的检验动作：

　　（1）文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；

　　（2）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语言规范的要求；

　　（3）字节码验证：通过数据流和控制流分析，确保程序语义是合法的、符合逻辑的；

　　（4）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。

　　3.3 准备（Preparation）

　　准备阶段是正式为类变量（static成员变量）分配内存并设置类变量初始值（零值）的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。这时候进行内存分配的仅包括类变量，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堆中。

　　3.4 解析（Resolution）

　　解析阶段是把常量池内的符号引用替换成直接引用的过程，符号引用就是Class文件中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量。

　　符号引用：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，只要可以唯一定位到目标即可。符号引用与内存布局无关，所以所引用的对象不一定需要已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以不同，但是接受的符号引用必须是一致的，因为符号引用的字面量形式已经明确定义在Class文件格式中。

　　直接引用：直接引用时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。直接引用和虚拟机实现的内存布局有关，同一个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。如果有了直接引用，那么它一定已经存在于内存中了。

　　3.5 初始化（Initialization）

　　类初始化阶段是类加载过程的最后一步。在前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，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（字节码）。

　

四、类加载器和双亲委派机制

我们对java.lang.ClassNotFoundException这个异常肯定不陌生，其实这个异常背后涉及到的是Java技术体系中的类加载。Java类加载机制是技术体系中比较核心的部分，