虚拟机类加载机制
1、类加载的时机
类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接
加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后在开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）
对于初始化阶段，虚拟机规则严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行初始化：
1）、遇到new、读取一个类的静态字段（getstatic）、设置一个类的静态字段（putstatic）、调用一个类的静态方法（invokestatic）。
2）、使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时
3）、当类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（如果是接口，则不必触发其父接口初始化）
4）、当虚拟机执行一个main方法时，会首先初始化main所在的这个主类
5）、当使用JDK1.7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
这5中场景中的行为称为对一个类进行主动引用。除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用
package com.hand.jvm05;
public class SuperClass {
static {
System.out.println("SuperClass init!");
}
public static int value = 123;
}
public class SubClass extends SuperClass {
static {
System.out.println("SubClass init!");
}
}
// 通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化
public class NotInitialization {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(SubClass.value);
}
}
对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。对于Sun HotSpot虚拟机来说，可通过-XX:+TraceClassLoading参数观察到此操作会导致子类的加载
// 通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化
public class NotInitialization2 {
public static void main(String[] args) {
SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
}
}
这段代码里触发了另外一个名为“[Lcom.hand.jvm05.SuperClass”的类的初始化阶段，对于用户代码来说，这并不是一个合法的类名称，它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承与java.lang.Object的子类，创建动作由字节码指令newarray触发。这个类代表了一个元素类型为com.hand.jvm05.SuperClass的一维数组，数组中应有的属性和方法（用户可直接使用的只有被修饰为public的length属性和clone()方法）都实现在这个类里
// 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中,本质上并没有直接引用到定义常量的类,因此不会触发定义常量的类的初始化
public class ConstClass {
static {
System.out.println("ConstClass init!");
}
public static final String HELLOWORLD="hello world";
}
public class NotInitialization3 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
}
}
虽然Java源码中引用了ConstClass类中的常量HELLOWORLD，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值"hello world"存储到了NotInitialization3类的常量池中，以后NotInitialization3对常量ConstClass.HELLOWORLD的引用实际都被转化为NotInitialization3类对自身常量池的引用了。也就是说，实际上NotInitialization3的Class文件之中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译成Class之后就不存在任何联系了
2、类加载的过程
1）、加载
在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：
A.通过一个类的的全限定名来获取定义此类的二进制字节流（没有规定二进制字节流从那里获取，怎样获取，许多java技术也都建立在这基础上）
B.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（将常量池转变成运行时常量池）
C.在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区着各类的各种数据的访问入口
对于数组类，不通过类加载器创建，由Java虚拟机直接创建的。但是数组类的元素类型(去掉所有维度的类型)最终是要通过类加载器去创建。
数组类的创建过程要遵循以下原则：
A.如果数组的组件类型（数组去掉一个维度的类型）是引用类型，就递归加载过程去加载这个组件类型，数组C将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识
B.如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联
C.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
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之中，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象（对于HotSpot虚拟机而言，Class对象存放在方法区里面），这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口
加载阶段与连接阶段的部分内容（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的
2）、验证
验证是连接阶段的第一步，第一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
A.基于字节流检验：
文件格式验证：基于二进制字节流进行的，只有经过这个阶段的验证，字节流才会进入内存的方法区中存储。目的是保证输入的字节流能正确解析并存储于方法区之内
B.基于方法区的存储结构：
元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息
字节码验证：最复杂的一个阶段，对类的方法体进行校验，保证被叫校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事。目的是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
由于数据流验证的高复杂性，为了避免过多的时间消耗在字节码验证阶段，在JDK1.6之后给方法体的Code属性的属性表中添加了一项名为“StackMapTable”的属性，这项属性描述了方法体中所有的基本块（按照控制流拆分的代码块）开始时本地变量表和操作栈应有的状态，在字节码验证期间，就不需要根据程序推导这些状态的合法性，只需要检查StackMapTable属性中的记录是否合法即可。这样将字节码验证的类型推导转变为类型检查从而节省一些时间。在JDK1.7之后，对于主版本号大于50的Class文件，使用类型检查来完成数据流分析校验是唯一的选择
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。目的是确保解析动作能正常执行
如果所运行的全部代码都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段就可以考虑到使用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间
3）、准备
准备阶段是正式为类变量分配内存并设置初始值的阶段，这些变量所使用的内存都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
初始值“通常情况下”是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：
public static int value=123;
那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为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，存放在类构造器<client>()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行
如果类字段的字段属性表中存放ConstantValue属性，那在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，假设上面类变量value的定义变为：
public static final int value=123;
编译时Java将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机会根据ConstantValue的设置将value赋值为123
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。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都是一致的，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：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。直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实力上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定在内存中存在
虚拟机规范之中并未规定解析阶段发生的具体时间，只要求了在执行anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、 ldc w、multianewarray、new、putfield和putstatic这16个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用的符号引用进行解析。所以虚拟机实现可以根据需要来判断到底是在类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析，还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它
对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情，除invokedynamic指令之外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标识为已解析状态）从而避免解析动作重复进行
invokedynamic指令的目的是用于动态语言支持，它所对应的引用称为动态调用点限制符，这里动态的含义就是必须等到程序实际运行到这条指令的时候，解析动作才能进行
A.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，那虚拟机完成整个解析过程需要以下3个步骤：
1）如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或实现的接口
2）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的描述符回事类似“[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次数组维度和元素的数组对象
3）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，确定D是否具备对C的访问权限
B.字段解析
要解析一个未被解析过的字段符号引用，首相将会对字段表内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。如果解析成功，那将这个字段所属的类或接口用C表示，虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索
1）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
2）否则，如果在C中实现了接口，将会按照继承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
3）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
4）否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常
如果查找过程成功返回了引用，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
如果有一个同名字段同时出现在C的接口和父类中，或者同时在自己或父类的多个接口中出现，那编译器将可能拒绝编译
C.类方法解析
类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也需要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，我们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的类方法搜索
1）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
2）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
3）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
4）否则，在类C实现的接口列表及他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
5）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常
如果查找过程成功返回了引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不具备对方法的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常
D.接口方法解析
接口方法也需要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，依然用C表示这个接口，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索
1）与类方法解析不同，如果在接口方法表中发现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
2）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
3）否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Objectg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
4）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常
由于接口中的所有方法默认都是public的，所以不存在访问权限的问题
5）、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<clinent>()方法的过程
<clinent>()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
public class Test {
static {
i = 0;
System.out.println(i); // 这句编译器会提示"非法向前引用"
}
static int i = 1;
}
<clinent>()方法与类的构造器不同，它不需要显示地调动父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinent>()方法执行之前，父类的<clinent>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的<clinent>()方法的类肯定是java.lang.Object
由于父类的<clinent>()方法先执行，也就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
static class Parent {
public static int A = 1;
static {
A = 2;
}
}
static class Sub extends Parent {
public static int B = A;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(Sub.B); // 2
}
<clinent>()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<clinent>()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<clinent>()方法。但接口与类不同的是，执行接口的<clinent>()方法不需要先执行父接口的<clinent>()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<clinent>()方法
虚拟机会保证一个类的<clinent>()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只有一个线程去执行这个类的<clinent>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinent>()方法完毕
3、类加载器
类加载阶段中的通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为类加载器
1）、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定其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。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
这里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
package com.hand.jvm05;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
public class ClassLoaderTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
@Override
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
if (is == null) {
return super.loadClass(name);
}
byte[] b;
b = new byte[is.available()];
is.read(b);
return defineClass(name, b, 0, b.length);
} catch (IOException e) {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
}
};
Object obj = myLoader.loadClass("com.hand.jvm05.ClassLoaderTest").newInstance();
System.out.println(obj.getClass());// class com.hand.jvm05.ClassLoaderTest
System.out.println(obj instanceof com.hand.jvm05.ClassLoaderTest);// false
}
}
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
从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader
启动类加载器：负责将放在<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，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，那直接使用null代替即可
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载<JAVA HOME>\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器
应用程序类加载器（Application ClassLoader）：由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。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。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所有指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，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
类加载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。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现，而是都使用组合关系来复用父加载器的代码
双亲委派模型的工作过程是：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，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
使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是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之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的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
可以尝试去编写一个与rt.jar类库中已有类重名的Java类，将会发现可以正常编译，但永远无法被加载运行
实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中，先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载
public abstract class ClassLoader {
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 首先，检查请求的类是否已经被加载过了
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// 如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
// 说明父类加载器无法完成加载请求
}
if (c == null) {
// 在父类加载器无法加载的时候
// 再调用本身的findClass方法来进行类加载
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
// 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;
}
}