JVM（二）：JVM类加载机制

如下图所示，JVM类加载机制分为五个部分：加载，验证，准备，解析，初始化，下面我们就分别来看一下这五个过程。

加载

加载是类加载过程中的一个阶段，这个阶段会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入口。注意这里不一定非得要从一个Class文件获取，这里既可以从ZIP包中读取（比如从jar包和war包中读取），也可以在运行时计算生成（动态代理），也可以由其它文件生成（比如将JSP文件转换成对应的Class类）。

验证

这一阶段的主要目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息是否符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。

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：

1	`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putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器<clinit>方法之中，这里我们后面会解释。

但是注意如果声明为：

1	`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。

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：

CONSTANT_Class_info
CONSTANT_Field_info
CONSTANT_Method_info

等类型的常量。

下面我们解释一下符号引用和直接引用的概念：

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。

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<clinit>方法的过程。<clinit>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<clinit>方法执行之前，父类的<clinit>方法已经执行完毕。p.s: 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<clinit>()方法。

遇到new，getstatic， putstatic，或者 invokestatic 这4条字节码指令时，如果没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。常见场景有使用new实例化对象，读取或设置一个类的静态字段，调用一个类的静态方法。
使用java.lang.reflect包的方法队里进行反射调用的时候，如果没有进行过初始化，则需先触发其初始化。
当初始化一个类的时候，发现其父类没有进行初始化，则先触发其父类的初始化。
当虚拟机启动的时候，用户需要指定一个需要执行的主类（包含main（）方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类
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，则需先要触发其初始化。

只有上述五种情况会触发初始化，也称为对一个类进行主动引用，除此以外，所有其他方式都不会触发初始化，称为被动引用。

public class NotInitialization
{
    public static void main(String[] args)
    {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}

class SuperClass
{
    public static int value = 123;
    static
    {
        System.out.println("super class init");
    }
}

class SubClass extends SuperClass
{
    static
    {
        System.out.println("sub class init");
    }
}

输出结果：

super class init

<clinit>()方法是由编译器自动收集类中的所有变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并产生的，他按照代码中出现的顺序收集，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在他之后的，在静态语句块中只能赋值不能访问
<clinit>()方法在执行之前必须保证自己父类的类构造器方法已经执行完毕,因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object
由于父类的<clinit>()方法优先执行，意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作
<clinit>()并不是必须的，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，但是接口与类不同的是，执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父类接口的<clinit>()方法，只有父类接口中定义的变量使用时父类接口才会初始化，另外接口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被正确的加锁，同步

类加载器与双亲委派模型

虚拟机设计团队把加载动作放到JVM外部实现，以便让应用程序决定如何获取所需的类，JVM提供了3种类加载器：

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：负责加载存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.*开头的类均被Bootstrap ClassLoader加载）。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。
扩展类加载器(Extension ClassLoader)：该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载DK\jre\lib\ext目录中，或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.*开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
应用程序类加载器(Application ClassLoader)：该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（classpath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

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。

当一个类加载器收到类加载任务，会先交给其父类加载器去完成，因此最终加载任务都会传递到顶层的启动类加载器，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才会尝试执行加载任务。

采用双亲委派的一个好处是比如加载位于rt.jar包中的类java.lang.Object，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，这样就保证了使用不同的类加载器最终得到的都是同样一个Object对象。

在有些情境中可能会出现要我们自己来实现一个类加载器的需求，由于这里涉及的内容比较广泛，我想以后单独写一篇文章来讲述，不过这里我们还是稍微来看一下。我们直接看一下jdk中的ClassLoader的源码实现：

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException {
    // First, check if the class has already been loaded
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            if (parent != null) {
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                c = findBootstrapClass0(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // If still not found, then invoke findClass in order
            // to find the class.
            c = findClass(name);
        }
    }
    if (resolve) {
        resolveClass(c);
    }
    return c;
}

首先通过Class c = findLoadedClass(name);判断一个类是否已经被加载过。
如果没有被加载过执行if (c == null)中的程序，遵循双亲委派的模型，首先会通过递归从父加载器开始找，直到父类加载器是Bootstrap ClassLoader为止。
最后根据resolve的值，判断这个class是否需要解析。

而上面的findClass()的实现如下，直接抛出一个异常，并且方法是protected，很明显这是留给我们开发者自己去实现的，这里我们以后我们单独写一篇文章来讲一下如何重写findClass方法来实现我们自己的类加载器。

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

JVM类加载机制

•全盘负责，当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖的和引用的其他Class也将由该类加载器负责载入，除非显示使用另外一个类加载器来载入

•双亲委派，先让父类加载器试图加载该类，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类

•缓存机制，缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区寻找该Class，只有缓存区不存在，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象，存入缓存区。这就是为什么修改了Class后，必须重启JVM，程序的修改才会生效

JVM（二）：JVM类加载机制

加载

验证

准备

解析

初始化

类加载器与双亲委派模型

猜你喜欢