虚拟机类加载机制

• 类加载的时机
  • 类的生命周期
    • 加载
    • 验证
    • 准备
    • 解析
    • 初始化
    • 使用
    • 卸载
  • 验证、准备、解析3个部分统称为连接
  • 虚拟机规范严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行初始化
    • 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。
      4条指令的场景：
      • 使用new关键字实例化对象
      • 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）
      • 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的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化
    • 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
    • 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类，虚拟机会先初始化这个主类
    • 当使用JDK 1.7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
  • 接口初始化与类初始化的区别
    类要求其父类全部都已经初始化过，而接口不要求其父类接口全部完成初始化，只有在真正使用到父接口时才会初始化
• 类加载的过程
  • 加载

    • 加载阶段完成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
    • 数组类本身不通过类加载器创建，由虚拟机直接创建，但数组类的元素类型由类加载器创建
      • 如果数组的组件类型是引用类型，那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识
      • 如果数组类型不是引用类型，虚拟机将会把数组标记为与引导类加载器关联
      • 数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组类的可见性将默认为public

  • 验证

    4个阶段：
    • 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
      • 是否以魔数0xCAFEBABE开头
      • 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内
      • 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型
      • 指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量
      • CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据
      • Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息
        。。。 。。。
        主要目的是保证输入的字节流能被正确的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
    • 元数据验证
      对字节码描述的信息进行语义分析，保证描述的信息符合Java语言规范的要求
      • 这个类是否有父类（除Object）
      • 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（final修饰的类）
      • 如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或其接口之中要求实现的所有方法
      • 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾
        。。。 。。。
        主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息
    • 字节码验证
      通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。对类的方法体进行校验分析
      • 保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作
      • 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上
      • 保证方法体中的类型转换是有效的
        。。。 。。。
    • 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，这个转化动作将在解析阶段中发生
      • 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
      • 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段
      • 符号引用中的类、字段、方法的访问性是否可被当前类访问
        。。。 。。。
        主要目的是确保解析动作能正常执行

  • 准备

    • 正式为类变量分配内存并设置类变量初始值，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（被static修饰），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
    • 这里设置的初始化值“通常情况”下是数据类型的零值

      public static int value = 123;

      value在准备阶段后的初始值为0，这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器方法中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才执行
    • 针对“通常情况”， “特殊情况”下
      如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那么准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值

      public static final int value = 123;

      编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123

  • 解析

    虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用

    符号引用：以一组符号描述所引用的目标，符号引用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。与虚拟机内存布局无关，引用目标不一定已加载到内存中

    直接引用：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。与虚拟机内存布局相关，引用的目标必定已在内存中

    虚拟机会对符号引用第一次解析的结果进行缓存

    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

    • 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，虚拟机解析时需要以下3个步骤：
      • 如果C不是一个数组类型，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
      • 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
      • 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
    • 字段解析
      首先对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info 符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。如果失败，则字段符号引用解析失败。如果成功，那将这个字段所属的类或接口用C表示，则按照如下步骤对C进行后续字段的搜索：
      • 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
      • 否则，如果在C中实现了接口，将会按照继续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
      • 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
      • 否则，查找失败，抛出 java.lang.NoSuchFieldError 异常
        如果查找过程中成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，将抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常
    • 类方法解析
      先解析出类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，用C表示这个类，按照如下步骤进行后续的类方法搜索：
      • 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
      • 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
      • 否则，在类C的父类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，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束
      • 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
      • 否则，宣告方法查找失败，抛出 java.lang.NoSuchMethodError
        如果查找过程成功返回了直接引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不具备对此方法的访问权限，抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常
    • 接口方法解析
      先解析出接口方法表的class_index 项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，用C表示这个接口，按照如下步骤进行后续接口方法搜索：
      • 如果在接口方法中发现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
      • 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
      • 否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.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
      • 否则，宣告方法查找失败，抛出 java.lang.NoSuchMethodError
        由于接口中的所有方法默认都是public，所以不存在访问权限的问题

  • 初始化

    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。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
    • <clinit>()方法与类的构造函数不同，它不需要显示的调用父类构造器，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。
    • 由于父类的 <clinit>() 方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优于子类的变量赋值操作
    • <clinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的，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国被正确的加锁、同步，土狗多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行 <clinit>()方法完毕。如果在一个类的 <clinit>()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞
• 类加载器
  • 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。

    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，即使这两个类来源与同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载他们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等

    这里所说的“相等” ，包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况

  • 双亲委派模型

    3种系统提供的类加载器：
    • 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）
      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）类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法直接被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，直接使用null代替即可
    • 扩展类加载器（Extension ClassLoader）
      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
    • 应用程序类加载器（Application ClassLoader）
      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。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
      类加载器双亲委派模型
      
      上图展示的类加载器之间的这种层次关系，称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

    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，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载

  • 破坏双亲委派模型

    • JNDI服务代码由启动类加载器去加载，它使用线程上下文类加载器去加载所需要的SPI代码，也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作，这种行为就是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器，已经违背了双亲委派模型的一般性原则。Java涉及SPI的加载动作基本上都采用这种方式，例如JNDI、JDBC等等
    • OSGI实现模块化热部署，不再是双亲委派模型的树状结构，而是更加复杂的网状结构。每一个程序模块（OSGI中称为Bundle）都有一个自己的类加载器，当需要更换一个Bundle时，就把Bundle连同类加载器一起替换掉以实现代码的热替换。当收到类加载请求时，OEGI按照下面顺序进行类搜索：
      • 将以java.* 开头的类委派给父类加载器加载
      • 否则，将委派列表名单内的类委派给父类加载器加载
      • 否则，将Import列表中的类委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载
      • 否则，查找当前Bundle的ClassPath，使用自己的类加载器加载
      • 否则，查找类是否在自己的Fragment Bundle中，如果在，则委派给Fragment Bundle的类加载器加载
      • 否则，查找Dynamic Import列表的Bundle，委派给对应Bundle的类加载器加载
      • 构造，类查找失败