Java虚拟机-虚拟机类加载机制

虚拟机的类加载机制： 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，最终造成能够被虚拟机直接使用的Java类型；

 

在Java语言里面，类型的加载、链接和初始化过程都是在程序运行期间完成的；

 

类加载的时机
类从被加载到虚拟机内存开始，到卸载出内存为止，它的生命周期是：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载；其中验证、准备和解析三个部分统称为链接；

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是肯定的，类的加载过程必须按照这个顺序循序渐进地“ 开始 ”，而解析阶段不必定，解析有时候会在初始化阶段以后再开始；
对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种状况必须当即对类进行初始化：
一、遇到new（实例化对象）、getstatic（读取一个类的静态字段【被final修饰，已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外】）、pubstatic（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】 ）、invokestatic（调用一个类的静态方法），这4条字节码指令时，若是类没有进行过初始化，则须要先触发其初始化。
二、使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，若是类没有进行过初始化，则须要先触发其初始化。
三、当初始化一个类的时候，若是发现其父类尚未进行过初始化，则须要先触发其父类的初始化。
四、当虚拟机启动时，用户须要指定一个要执行的主类，虚拟机会先初始化这个主类；
五、当使用JDK1.7的动态语言支持时，若是一个java.lang.invoke.MethosHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_pubStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，而且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则须要先触发其初始化。
以上五种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。除此以外，全部引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

 

类加载的过程

加载
在加载阶段，虚拟机须要完成的3件事情：
一、经过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；（读取来源：一、从ZIP包中读取；二、从网络中读取；三、运行时计算生成；四、由其余文件生成；五、从数据库中读取等）
二、将这个字节流所表明的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；
三、在内存中生成一个表明这个类的java.lang.Class对象，做为方法区这个类的各类数据的访问入口；
对于非数组类的加载阶段，加载阶段既可使用系统提供的引导类加载器完成，也能够由用户自定义的类加载器去完成，可控。
对于数组类的，数组类自己不经过类加载器，它是由虚拟机直接建立的。可是与类加载器仍有联系，由于数组类的元素类型最终是要靠类加载器去建立

 

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，虚拟机规范并未规定此区域的具体数据结构。
而后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将做为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。

 

验证
验证是链接阶段的第一步，主要目的是为了确保Class文件的字节流中所包含的信息是否符合虚拟机的要求，而且不会危害虚拟机自身的安全；
验证阶段大体会完成如下4个阶段的检验动做：
一、文件格式验证：
主要目的：保证输入的字节流能正确地解析并存储与方法区以内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求；
方式：这个阶段是基于 二进制字节流 进行的，只有经过这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法去中进行存储；
检查点：魔数、主次版本号、常量池的常量中是否有不被支持的常量类型... ...
二、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；
目的：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；
检查点：这个类是不是父类、这个类的父类是否集成了不容许被继承的类... ...
三、字节码验证：
目的：经过 数据流和控制流 分析，肯定程序语义是合法的、符合逻辑的。
这个阶段对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会作出危害虚拟机安全的事件；
检查点：保证方法体中的类型转换是有效的... ...
四、符号引用验证：
这个阶段的校验是发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动做将在 解析阶段发生 。
符号引用验证能够看做对类自身之外的信息进行匹配性检查。
目的：确保解析动做能正常执行，若是没法经过符号引用验证，那么将抛出异常；
检查点：符号引用中的类、字段、方法的访问性是否能够被当前类访问... ...

 

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分配。

 

解析
解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换成直接引用的过程；
符号引用：以一组符号来描述所引用的目标，符号能够是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标便可。与虚拟机实现的内存布局无关。引用的目标不必定已经加载到内存中。
直接引用：能够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。与虚拟机实现的内存布局有关。有了直接引用，那引用的目标一定已经在内存中存在。
解析动做主要针对类或接口、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。
类或接口解析
字段解析：要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段内的class_index项中索引的CONSTATNT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属类或接口的符号引用；
类方法解析：须要先解析类方法表内的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用。
接口方法解析：须要先解析出方法表class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用。

 

初始化
到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的java程序代码。初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。
对于<clinit>()方法具体介绍以下：
一、 <clinit>()方法是由编译器自动收集类中的 全部类变量的赋值动做和静态语句块中语句 合并产生的。
编译器收集的顺序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定义在静态语句块以前的变量，定义在它以后的变量，在前面的静态语句块中只能赋值，不能访问。
二、 <clinit>()方法与类的构造函数不一样，它不须要显式的调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的 <clinit>()方法执行以前，父类的 <clinit>()方法已经执行完毕，所以虚拟机中第一个执行的 <clinit>()的类必定是java.lang.Object。
三、因为父类 <clinit>()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先与子类的变量复制操做。
四、 <clinit>()方法对于类或接口来讲并非必需的，若是一个类中没有静态语句块也没有对变量的赋值操做，那么编译器能够部位不为这个类生成 <clinit>()方法。
五、接口中不能有静态语句块，可是仍然会有变量初始化的赋值操做。执行接口的 <clinit>()方法不须要先执行父接口的 <clinit>()方法，只有父接口中定义的变量使用时，父类接口才会被初始化。接口实现类在初始化时也同样不会执行接口的 <clinit>()方法。
六、虚拟机会保证一个类的 <clinit>()方法在多线程环境中被正确的加锁、同步。

 

类加载器
实现经过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流的代码模块是”类加载器“
类与类加载器
对于任意一个类，都须要由加载它的类加载器和这个类自己一同肯定其在Java虚拟机中的惟一性。
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，不然，即便这两个类来源与同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不一样，那么这两个类就一定不相等；

 

从Java虚拟机的角度来看，只存在2种不一样的类加载器：
一、启动类加载器，用C++语言实现，虚拟机自身的一种实现；
二、全部其余的类加载，用Java语言实现，独立于虚拟机外部，所有都继承自抽象类java.lang.ClassLoader;

 

从Java开发人员的角度来看，类加载器还能够划分为一下3中系统提供的类加载器：
一、启动类加载器：启动类加载器没法被java程序直接引用。扶着将放在<JAVA_HOME>\lib目录中的或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的而且是虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存中；
二、扩展类加载器：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全部类库；由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现；
三、应用程序类加载器：负责加载用户路径所指定的类库；这个类加载是ClassLoader中的getSystemClassLoader（）方法的返回值，因此通常也称它为系统类加载器；由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现；

 

双亲委派模型：

除了顶层的启动类加载器，其他的类加载器都应当有本身的父类加载器。
父子关系不是以继承关系来实现，而都是使用组合关系来复用父加载器的代码；

 

双亲委派模型的工做过程 ：若是一个类加载器收到类加载的请求，它首先不会本身去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每个层次的类加载器都是如此，由于全部的加载请求最终都应该传递给顶层的启动类加载器中，只有当父类加载器反馈本身没法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试去加载。

 

双亲委派模型的实现 ：先检查是否已经被加载过了，若是没有加载则调用父加载器的loadClass（）方法，若是父加载器为空则默认使用启动类加载器做为父加载器。若是父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用本身的findClass()方法进行加载；

 

破坏双亲委派模型：
一、在JDK1.2以前，双亲委派模型出现以前，面对已经存在的用户自定义类加载的实现代码，在java.lang.ClassLoader添加了一个新的protected的loadClass（）方法。在此以前用户继承java.lang.ClassLoader惟一目的就是为了重写loadClass()方法。
二、由于自身的缺陷，双亲委派很好的解决了各个类加载器的基础类的统一问题，可是对于基础类又要掉回用户的代码，Java设计团队增长了一个“线程上下文类加载器”；这个类加载器能够经过java.lang.Thread类的setContextClassLoader()方法进行设置，若是建立线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，若是在应用程序的全局范围内都没有设置，那么这个类加载器就默认为应用程序类加载器；如：JNDI、JDBC、JCE等
三、因为用户对程序动态性的追求，代码热替换、模块热部署。OSGI实现模块化热部署的关键则是它自定义的类加载器机制的实现。每一个程序模块都有一个本身的类加载器，当须要更换一个模块的时候，就把模块连同类加载器一块儿换掉以实现代码的热替代。