虚拟机类加载机制

整理自《深入理解 Java 虚拟机》。

1. 类加载时机

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。最终形成可以被虚拟机直接使用的 Java 类型，就是虚拟机的类加载机制。一个类从被加载进内存，到卸载出内存，完整的生命周期包括：加载，验证，准备，解析，初始化，使用，卸载。

加载、验证、准备、初始化、卸载这5个步骤的顺序是确定的，解析阶段则不一定，某些时候可以在初始化之后，这是为了支持Java的运行时绑定（动态绑定）。

什么时候进行加载，虚拟机规范中没有强制要求，但是初始化操作有严格的规定，5 种情况下必须立刻执行：

• 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 这4个字节码指令时，没有初始化，必须初始化。典型场景：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，已及调用一个类的静态方法的时候。
• 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有初始化，则需要先触发其初始化。
• 初始化子类的时候，要先初始化其父类。
• 虚拟机启动时，要指定一个执行的主类（main方法的类），需要先初始化。
• JDK 7的动态语言支持时，java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果是REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄时，对应的类没有初始化，需要初始化。

2. 类加载的过程

2.1 加载

这个阶段需要完成以下三件事：

• 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
• 将这个二进制字节流转储为方法区的运行时数据结构。
• 于内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 类型的对象，用于表示该类的类型信息，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

2.2 验证

验证阶段的目的是为了确保加载的 Class 文件中的字节流是符合虚拟机运行要求的，不能威胁到虚拟机自身安全。

这个阶段直接决定了虚拟机能否承受住恶意代码的攻击。整个验证又分为四个阶段：文件格式验证、元数据验证、字节码验证，符号引用验证。

验证阶段不一定是必要的，对于信任的代码可以考虑使用 Xverify:none 启动参数关闭验证阶段，缩短虚拟机类加载时间。

2.3 准备

准备阶段实际上是为类变量（static 修饰的变量）分配内存（在方法区中）并赋「系统初值」的过程，这里的「系统初值」并不是指通过赋值语句初始化变量的意思。

特殊情况：对于 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。

2.4 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(Symbolic References)： 符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是符合约定的任何形式的字面量，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。
• 直接引用（Direct References）: 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。直接引用与虚拟机实现的内存布局相关，引用的目标必定已经在内存中存在。

2.5 初始化

初始化阶段是执行类构造器 < clint >() 方法的过程。

• < clint >() 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(static{} 块)中的语句合并产生的。
• 虚拟机会保证在子类的 < clint >() 方法执行之前，父类的 < clint >() 方法已经执行完毕。意味着父类中定义的静态语句块优先于子类的变量赋值操作。
• < clint >() 不是必需的，如果一个类没有静态语句块，也没有变量的赋值操作，那么编译器可以不生成 < clint >() 方法。
• 虚拟机保证一个类的 < clint >() 方法在多线程环境下被正确地加锁、同步，只有一个线程会执行这个类的 < clint >() 方法。同一个类加载器下，一个类只会被初始化一次。

3. 类加载器

功能

把类加载阶段的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作交给虚拟机之外的类加载器来完成。这样的好处在于，我们可以自行实现类加载器来加载其他格式的类，只要是二进制字节流就行。

对于任意一个类，都需要由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。

分类

从 Java 虚拟机角度，只存在两种不同的类加载器：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），由 C++ 实现，是虚拟机自身的一部分。
• 其他类加载器，由 Java 语言实现，独立于虚拟机外部，全部继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。

从 开发人员角度，分为以下三种：

• 启动（Bootstrap）类加载器：它负责将 <JAVA_HOME>/lib下面的核心类库或 -Xbootclasspath 选项指定的类库等加载到内存中。引导类加载器是用本地代码实现的类加载器，开发者无法直接获取到启动类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作。
• 扩展（Extension）类加载器：扩展类加载器是由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现的，它负责将 <JAVA_HOME >/lib/ext 目录中的，或者由系统变量 java.ext.dir 指定位置中的类库加载到内存中。开发者可以直接使用标准扩展类加载器。
• 系统（System）类加载器：也叫应用程序类加载器，由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现的，它负责将用户类路径(ClassPath)下的类库加载到内存中。开发者可以直接使用系统类加载器。如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，这个就是默认的类加载器。

双亲委派模型

应用程序是由上述三种类加载器相互配合进行加载的，如有必要，还可以加入自己定义的类加载器。它们之间的关系：

双亲委派机制工作过程：

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最终都会传送到顶层的启动类加载器中。只有父类加载反馈自己无法加载这个请求(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。

优点：
Java 类随着它的加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。通过这种层级关系很好地解决了基础类的统一问题。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，最终都是双亲委派模型最顶端的启动类加载器去加载。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，如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户编写了一个称为“java.lang.Object”的类，并存放在程序的 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就无法保证，应用程序也将会一片混乱。其次是考虑到安全因素，Java 核心 API 中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为 java.lang.Integer 的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心 Java API 发现这个名字的类，发现该类已被加载，就不会重新加载网络传递的过来的 java.lang.Integer，而直接返回已加载过的 Integer.class，这样便可以防止核心 API 库被随意篡改。