Java虚拟机（五）：JVM 类加载机制

一、JVM 类加载机制

　　Java虚拟机把描述累的数据从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，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。与那些在编译时需要进行连接的语言不同，在Java语言里面，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，这种策略让Java语言进行提前编译会面临额外的困难，也会让类加载时稍微增加一些性能开销，但是却为Java应用提供了极高的扩展性和灵活性，Java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。例如，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预置的或自定义类加载器，让某个本地的应用程序在运行时从网络或其他地方上加载一个二进制流作为其程序代码的一部分。

　　一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历加载（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、解析三个部分统称为连接（Linking）。这七个阶段的发生顺序如下图所示：

1. 加载：

　　在加载阶段，Java虚拟机需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。

　　《Java虚拟机规范》对这三点要求其实并不是特别具体，留给虚拟机实现与Java应用的灵活度都是相当大的。例如“通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流”这条规则，它并没有指明二进制字节流必须得从某个Class文件中获取，确切地说是根本没有指明要从哪里获取、如何获取。在Java发展历程中，许多举足轻重的Java技术都建立在这一基础之上，例如：

• 从ZIP压缩包中读取，这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。
• 从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Web Applet。
• 运行时计算生成，这种场景使用的最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass()来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流。
• 由其他文件生成，典型场景是JSP应用，由JSP文件生成对应的Class文件。
• 从数据库中读取，这种场景相对少见些，例如有些中间件服务器（如SAP Netweaver）可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码的集群间的分发。
• 可以从加密文件中获取，这是典型的防Class文件被反编译的保护措施，通过加载时解密Class文件来保障程序运行逻辑不被窥探。
• ......

　　相对于类加载过程的其他阶段，非数组类型的加载阶段（准确地说，是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作）是开发人员可控性最强的阶段。加载阶段既可以使用Java虚拟机里内置的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成。对于数组而言，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。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）最终还是要靠类加载器来完成加载。

　　加载阶段与连接阶段的部分动作（如一部分字节码文件格式校验动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的一部分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

2. 验证：

　　验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致上会完成下面四个阶段的校验动作：

　　1）文件格式的校验：验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且被当前版本的虚拟机处理。

　　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号《Java语义规范》的要求。

　　3）字节码验证：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分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。

　　4）符号引用验证：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——解析阶段中发生。符号引用验证可以看作是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的各类信息进行匹配性校验，通俗来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。

3. 准备：

　　准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量的初始值阶段，即在方法区中分配这些变量所使用的内存空间。注意这里所说的初始值概念，比如一个类变量定义为：

public static int v = 8080; 

实际上变量 v 在准备阶段过后的初始值为 0 而不是 8080，将 v 赋值为 8080 的 put static 指令是程序被编译后，存放于类构造器<client>方法之中。

　　但是注意如果声明为：

public static final int v = 8080; 

在编译阶段会为 v 生成 ConstantValue 属性，在准备阶段虚拟机会根据 ConstantValue 属性将 v赋值为 8080。

 

4. 解析：

　　解析阶段是指虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是 class 文件中的：

1.   CONSTANT_Class_info 
2.   CONSTANT_Field_info 
3.   CONSTANT_Method_info 

等类型的常量。

• 符号引用：符号引用与虚拟机实现的布局无关，引用的目标并不一定要已经加载到内存中。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。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

 

5. 初始化：

• 初始化阶段是类加载最后一个阶段，前面的类加载阶段之后，除了在加载阶段可以自定义类加载器以外，其它操作都由 JVM 主导。到了初始阶段，才开始真正执行类中定义的 Java 程序代码。
• 初始化阶段是执行类构造器<client>方法的过程。<client>方法是由编译器自动收集类中的类变量的赋值操作和静态语句块中的语句合并而成的。虚拟机会保证子<client>方法执行之前，父类
  的<client>方法已经执行完毕，如果一个类中没有对静态变量赋值也没有静态语句块，那么编译器可以不为这个类生成<client>()方法。

注意以下几种情况不会执行类初始化：

　　1.   通过子类引用父类的静态字段，只会触发父类的初始化，而不会触发子类的初始化。
　　2.   定义对象数组，不会触发该类的初始化。
　　3.   常量在编译期间会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用定义常量的类，不会触发定义常量所在的类。
　　4.   通过类名获取 Class 对象，不会触发类的初始化。
　　5.   通过 Class.forName 加载指定类时，如果指定参数 initialize 为 false 时，也不会触发类初始化，其实这个参数是告诉虚拟机，是否要对类进行初始化。
　　6.   通过 ClassLoader 默认的 loadClass 方法，也不会触发初始化动作。

 二、类加载器

1. 类和类加载器

　　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超类加载阶段。对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。通俗来讲，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下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个Java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

• 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：负责加载 JAVA_HOME\lib 目录中的，或通过-Xbootclasspath 参数指定路径中的，且被虚拟机认可（按文件名识别，如 rt.jar）的类。
• 扩展类加载器(Extension ClassLoader) ：负责加载 JAVA_HOME\lib\ext 目录中的，或通过 java.ext.dirs 系统变量指定路径中的类库。
• 应用程序类加载器(Application ClassLoader)：负责加载用户路径（classpath）上的类库。 JVM 通过双亲委派模型进行类的加载，当然我们也可以通过继承 java.lang.ClassLoader实现自定义的类加载器。

　　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，每一个层次类加载器都是如此，因此所有的加载请求都应该传送到最顶层的启动类加载器中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子类加载器才会尝试自己去完成加载。

　　使用双亲委派的一个好处是Java中的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 包之中，不管是哪个加载器加载这个类，最终都是委托给顶层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能够保证是同一个类。