3.2 虚拟机执行子系统--虚拟机类加载机制
虚拟机执行子系统
第七章 虚拟机类加载机制
本章讲述虚拟机如何加载Class文件？Class文件中的信息进入虚拟机之后有什么样的变化？
【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、连接和初始化都是在程序运行期间完成的。
一、类加载的时机——什么时候进行类加载？
类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的生命周期包括：加载、连接（验证、准备、解析）、初始化、使用、卸载。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）。
虚拟机强制约束什么时候进行加载阶段，但是对于初始化阶段，严格规定了有且只有5种情况必须立即对类初始化（而加载、验证、准备要在此之前开始）：
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，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
2）使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3）当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，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JDK 1.7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。
这五种场景中的行为称为对一个类的主动引用，除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。例如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。
接口的加载过程与类加载过程稍有一些不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口也有初始化过程，这点与类是一致的，上面的代码都是用静态语句块“static{}”来输出初始化信息的，而接口中不能使用“static{}”语句块，但编译器仍然会为接口生成“＜clinit＞（）”类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类真正有所区别的是前面讲述的5种“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过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。
二、类加载的过程
1.加载
加载是类加载的第一个阶段，在此阶段虚拟机需要完成三件事：
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（无论何种方式，只要能获得二进制流就可以）。
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
数组类本身不是通过类加载器创建的，而是由Java虚拟机直接创建的。但是数组中的元素可能需要被类加载器创建。
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由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（并没有明确规定是在Java堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里面），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.验证
验证时连接阶段的第一步，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，不会危害虚拟机自身安全。
1）文件格式验证
是否已魔术开头、主次版本号、常量池中的常量是否有不被支持的常量、指向常量的各种索引值中是否有不被支持的常量类型…
2）元数据验证
这个类是否有父类、父类是否继承了不允许被继承的类（final修饰）、如果不是抽象类，是否继承了父类或者接口中要求实现的所有方法、类中的字段和方法是否和父类产生矛盾…
3）字节码验证
验证程序语义是否合法、符合逻辑的。这个阶段对方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会危害虚拟机安全。
4）符号引用验证
此阶段发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在解析阶段发生。
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，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先，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。其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。
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。
【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，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。
【直接引用】：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不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。
对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情，除invokedynamic指令以外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标识为已解析状态）从而避免解析动作重复进行。
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，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_info 7种常量类型。
1) 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
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的类加载器去加载这个类C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就宣告失败。
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的描述符会是类似“[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的描述符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接口了，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。
2）字段解析
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父接口，如果接口中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。
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。
④否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。
3）类方法解析
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中查找是否有简单名称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。
③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之中递归查找是否有简单名称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。
⑥否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。
4）接口方法解析
①与类方法解析不同，如果在接口方法表中发现class_index中的索引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中查找是否有简单名称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。
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，看是否有简单名称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的问题，因此接口方法的符号解析应当不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。
5.初始化
类初始化阶段是类加载过程最后一步，才开始执行类中定义的Java程序代码（字节码文件）。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，或者可以从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器＜clinit＞（）方法的过程。
＜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所决定。＜clinit＞（）方法与类的构造函数（或者说实例构造器＜init＞（）方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，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，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。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。
如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么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＞（）方法在多线程环境中被正确地加锁、同步。
三、类加载器
虚拟机设计团队把类加载阶段中的“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称为“类加载器”。
1.类与类加载器
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，每一个类加载器，都拥一个独立的类名称空间。即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，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
对于虚拟机来说存在两种不同的类加载器：①启动类加载器，C++实现，是虚拟机的一部分。②所有其他的类加载器，Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承java.lang.ClassLoader。
细致分类可分为三种：
①启动类加载器：这个类将器负责将存放在＜JAVA_HOME＞\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机
识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。
②拓展类加载器：这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载＜JAVA_HOME＞\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。
③应用程序类加载器：v>这个类加载器由sun.misc.Launcher $App-ClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader（）方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，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。
④ CustomerClassLoader 自定义类加载器：用户自定义
我们应用程序都是由这三种类加载器互相配合进行加载的，也可以加入自定义类加载器。
上图所示的类加载器之间的这种层次关系，成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当有自己的父类加载器。这里类加载器之间使用组合（Composition）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，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。
【双亲委派模型优点】：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。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。
