《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》笔记(五)

虚拟机类加载机制

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，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同，在Java语言里，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的，这种策略虽然会令加载时稍微增加一些性能开销，但是会为Java应用程序提供高度的灵活性，Java里天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。

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（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析3个部门统称为连接（Linking）。

Java虚拟机规范中并没有进行强制约束，但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化。
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，虚拟机会先初始化这个主类。
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。

类的加载过程

加载

“加载”是“类加载”（Class Loading）过程的一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事：

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访问入口。

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。

大致上会完成下面4个阶段的检验动作：

1. 文件格式验证：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，通过验证后进入内存的方法区进行存储。
2. 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。
3. 字节码验证：主要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。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后这个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件。
4. 符号引用验证：在虚拟机将符号引用转化为直接引用时发生，这个转化动作在解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验。

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进行分配。

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分布无关，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（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例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

初始化

类初始化是类加载过程发最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码）。

• 虚拟机会保证在子类的()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕。
• 父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。
• ()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()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，但不需要先执行父接口的()方法，只有父接口中定义的变量使用时，父接口才初始化，接口的实现类在初始化时一样不会执行接口的()方法。
• 虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确的加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的()方法，其他线程需要阻塞等待，直到活动线程执行完()方法完毕。

类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的“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”。

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立其在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。

双亲委派模型

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这个加载器负责存放在\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别类库加载到虚拟机内存中。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，负责加载\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
• 应用程序加载器（Application ClassLoader）：由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现，一般称为系统类加载器，负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器。

我们的应用程序都是由这3种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要还可以加入自己定义的类加载器。

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（Inheritance）的关系来实现，而是都是用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。它并不是一个强制性的约束模型，而是Java设计者推荐给开发者的一种类型加载器实现方式。

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中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载。