[Java知识库]虚拟机类加载机制

1. 类加载的时机

对类进行“初始化的5种情况：（加载、验证、准备自然需要在此之前开始）

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
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

上面的5种情况视为对一个类的主动引用，会导致初始化，除上面5种情况之外的引用类的方式都不会触发初始化，称为被动初始化

被动引用例子1：子类引用父类的静态字段不会导致子类初始化

package jvm;

class SuperClass{
	static {
		System.out.println("SuperClass Init");
	}
	static int value=100;
}
class SubClass extends SuperClass{
	static {
		System.out.println("SubClass Init");
	}
}
public class NotInitializatio {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(SubClass.value);
	}

}

被动引用例子2：通过数组定义来引用类不会引发所引用类的初始化

package jvm;

class SuperClass{
	static {
		System.out.println("SuperClass Init");
	}
	static int value=100;
}
class SubClass extends SuperClass{
	static {
		System.out.println("SubClass Init");
	}
}
public class NotInitializatio {
	public static void main(String[] args) {
		SuperClass []arr=new SuperClass[10];
	}

}

被动引用例子3：引用常量不会导致所引用类的初始化（常量在编译阶段被放在常量池中了）

package jvm;

class SuperClass{
	static {
		System.out.println("SuperClass Init");
	}
	static final int value=100;
}
class SubClass extends SuperClass{
	static {
		System.out.println("SubClass Init");
	}
}
public class NotInitializatio {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(SubClass.value);
	}

}

如果value只是静态变量，引用value时会导致SuperClass的初始化

2. 类加载过程

1. 加载（“加载”是“类加载”（Class Loading）过程的一个阶段）

加载阶段JVM需要完成3件事：

• 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的访问入口

2. 验证（连接阶段的第一步）

• 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
• Class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，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配(进行内存分配的仅包括类变量)
public static int value=100; 变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是100，因为这时候尚未开始执行任何Java方法
public static int value=100;变量value在准备阶段过后的初始值100，这里的value是常量

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
• 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。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。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

1. 类或接口的解析
2. 字段解析
3. 类方法解析
4. 接口方法解析
5. 方法类型解析
6. 方法句柄解析
7. 调用点限定符解析

5. 初始化

• 类初始化阶段是类加载过程的最后一步
• 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可以赋值，但是不能访问
  

3. 类加载器

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

1. 类与类加载器

package jvm;

import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.InputStream;

public class ClassLoaderTest {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		ClassLoader myLoader=new ClassLoader() {
			 public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
				 
				 try {
					 String fileName=name.substring(name.lastIndexOf(".")+1)+".class";
					 //System.out.println(fileName);
					 InputStream is=getClass().getResourceAsStream(fileName);
					// System.out.println(is);
					 //System.out.println("is==null？ "+(is==null));
					 if(is==null)
						 return super.loadClass(name);
					 byte []b=new byte[is.available()];
					 is.read(b);
					 return defineClass(name, b,0,b.length);
					
				} catch (Exception e) {
					throw new ClassNotFoundException(name);
				}
			       
			    }
		};
		
		Object obj=myLoader.loadClass("jvm.ClassLoaderTest").newInstance();
		System.out.println(obj.getClass());
		System.out.println(obj instanceof jvm.ClassLoaderTest);
	}
}

上面的代码自己定义了一个类加载器，用这个类加载器去加载了一个名为“jvm.ClassLoaderTest”的类，并实例化了这个类的对象。虚拟机中存在了两个ClassLoaderTest类，一个是由系统应用程序类加载器加载的，另外一个是由我们自定义的类加载器加载的，虽然都来自同一个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。

2. 双亲委派模型
Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：启动类加载器和其他类加载器

从开发的角度可以细分为：启动类加载器、扩展类加载器、应用程序类加载器

• 启动类加载器：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
• 扩展类加载器：由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库
• 应用程序类加载器：由sun.misc.Launcher$App-ClassLoader实现。负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库。一般情况下这个就是程序中默认的类加载器

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

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

双亲委派模型的优点：
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。（如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个称为java. lang.Object的类，并放在程序的ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类）

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先检查请求的类是否被加载过了
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {//c==null  没有被加载过
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {//存在父类加载器就使用父类加载器
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {//不存在的话就使用启动类加载器
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    //父类加载器抛出异常说明父类加载器无法加载
                }

                if (c == null) {//父类无法加载
                    
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);//调用自己的findClass方法来加载类

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

参考：
《深入理解Java虚拟机》