浅析JVM类加载机制

浅析类加载机制

类加载器简单来说是用来加载 Java 类到 Java 虚拟机中的。Java 虚拟机使用 Java 类的方式如下：Java 源程序（.java 文件）在经过 Java 编译器编译之后就被转换成 Java 字节代码（.class 文件）。类加载器负责读取 Java 字节代码，并转换成 java.lang.Class类的一个实例。每个这样的实例用来表示一个 Java 类。通过此实例的 newInstance()方法就可以创建出该类的一个对象。

想要真正深入理解Java类加载机制，就要弄懂三个问题：类什么时候加载、类加载的过程是什么、用什么加载。所以本文分为三部分分别介绍Java类加载的时机、类加载的过程、加载器。

一、Java类加载的时机

1.1 类加载的生命周期

类加载的生命周期是从类被加载到内存开始，直到卸载出内存为止的。整个生命周期分为7个阶段：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。其中，验证、准备、解析三部分统称为连接。具体步骤如下图所示：

下面简单介绍下类加载器所执行的生命周期的过程。

(1) 装载：查找和导入Class文件；

(2) 链接：把类的二进制数据合并到JRE中；

(a)校验：检查载入Class文件数据的正确性；

(b)准备：给类的静态变量分配存储空间；

(c)解析：将符号引用转成直接引用；

(3) 初始化：对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作。

1.2 类加载的时机

类加载的时机Java虚拟机规范中并没有强制规定，但是对于初始化阶段，有5种场景必须立即执行初始化，也被称为主动引用。

(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，并且该方法句柄所对应的类没有初始化过，则先触发初始化。

二、Java类加载的过程

类加载的全过程分为7个阶段，但是主要的过程是加载、验证、准备、解析、初始化这5个阶段。

2.1 加载

在加载阶段，虚拟机需要完成3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静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；

(3) 在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口。

2.2 验证

验证阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。整体来看，验证阶段大致分为4个验证动作。

(1)文件格式验证

第一阶段是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。主要目的是保证输入的字节流能正确地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。该阶段是基于二进制字节流验证的，只有通过了这个阶段的验证，字节流才会进入内存的方法去中存储，后面的3个验证都是基于方法区的存储结构进行的。

这一阶段可能的验证点：

a.是否以魔数开头；

b.主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围内；

c.常量池的常量数据类型是否被支持；

。。。

(2)元数据验证

元数据验证是对字节码描述信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求。这个阶段可能的验证点：

a.是否有父类；

b.是否继承了不被允许继承的类；

c.如果该类不是抽象类，是否实现了其父类或接口要求实现的所有方法；

。。。

(3)字节码验证

字节码验证的主要目的是通过数据流和控制流分析，确定程序语义的合法性和逻辑性。该阶段将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做出危害虚拟机安全的事情。这个阶段可能的验证点：

a.保证任何时候操作数栈的数据类型与指令代码序列的一致性；

b.跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上；

。。。

(4)符号引用验证

符号引用验证的主要目的是保证解析动作能正常执行，如果无法通过符号引用验证，则会抛出异常。这个阶段可能的验证点：

a.符号引用的类、字段、方法的访问性（public、private等）是否可被当前类访问；

b.指定类是否存在符合方法的字段描述符；

。。。

2.3 准备

准备阶段是正式为类变量分配并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中进行分配,需要说明的是：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;这里所说的初始值“通常情况”是数据类型的零值，例如:

public static int value = 1;

value在准备阶段过后的初始值为0而不是1,而把value赋值的putstatic指令将在初始化阶段才会被执行。

特殊情况：

public static final int value = 1;//此时准备value赋值为1

2.4 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。直接引用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。直接引用和虚拟机实现的内存有关，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不尽相同。

2.5 初始化

初始化阶段是类加载过程的最后一步，到了该阶段才真正开始执行类定义的Java程序代码，根据程序员通过代码定制的主观计划去初始化类变量和其他资源，是执行类构造器初始化方法的过程。

三、类加载器

类加载器大致可以分为以下3部分：

(1) 启动类加载器: 将存放于<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。启动类加载器无法被Java程序直接引用。

(2) 扩展类加载器 : 将<JAVA_HOME>\lib\ext目录下的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库加载。开发者可以直接使用扩展类加载器。

(3) 应用程序类加载器: 负责加载用户类路径(ClassPath)上所指定的类库,开发者可直接使用。

我们的应用程序都是由这三种类加载器相互配合加载的。它们的关系如下图所示，称之为双亲委派模型。

工作过程：如果一个类加载器接收到了类加载的请求，它首先把这个请求委托给他的父类加载器去完成，每个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求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（它在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。

好处：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中，无论哪个类加载器要加载这个类，最终都会委派给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。相反，如果用户自己写了一个名为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，java类型体系中最基础的行为也无法保证，应用程序也会变得一片混乱。

双亲委派模型实现起来其实很简单，以下是实现代码，通过以下代码，可以对JVM采用的双亲委派类加载机制有了更感性的认识。

//类加载过程

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {

return loadClass(name, false);

}

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)

throws ClassNotFoundException

{

// 首先判断该类型是否已经被加载

Class c = findLoadedClass(name);

if (c == null) {

//没有被加载，就委托给父类加载器或者委派给启动类加载器加载