深入学习JVM底层（五）：类加载机制

类加载机制

概念

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、装换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的 Java 类型

类加载时机

如图：其中加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的。解析阶段可以在初始化之后再开始(运行时绑定或动态绑定或晚期绑定)。

以下五种情况必须对类进行初始化(而加载、验证、准备自然需要在此之前完成)：

1. 遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这4条字节码指令时没初始化触发初始化。例如：使用 new 关键字实例化对象、读取一个类的静态字段(被 final 修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)、调用一个类的静态方法
2. 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候
3. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行初始化，则需先触发其父类的初始化
4. 当虚拟机启动时，用户需指定一个要加载的主类(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 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，则需先触发其初始化

类的加载过程

加载

1. 通过一个类的全限定名来获取定义次类的二进制流(ZIP 包、网络、运算生成、JSP 生成、数据库读取)
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，作为方法去这个类的各种数据的访问入口

验证

这是连接的第一步，确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机要求

• 文件格式验证：第一阶段要验证字节流是否符合 Class 文件格式的规范，并且能够被当前版本的虚拟机处理。验证点主要包括：是否以魔数 0xCAFEBABE 开头；主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内；常量池的常量中是否有不被支持的常量类型；Class 文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或者附加的其它信息等等。
• 元数据验证：第二阶段是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，这个阶段的验证点包括：这个类是否有父类；这个类的父类是否继承了不允许被继承的类；如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或者接口之中要求实现的所有方法；类中的字段、方法是否与父类产生矛盾等等。
• 字节码验证：第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，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。
• 符号引用验证：最后一个阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段–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）的形象进行匹配性校验。

准备

这个阶段正式为类分配内存并设置类变量初始值，内存在方法去中分配(含 static 修饰的变量不含实例变量)

解析

这个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。

初始化

开始执行类中的 Java 代码。

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」**。

类加载器负责加载程序中的类型（类和接口），并赋予唯一的名字予以标识。

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 虚拟机的唯一性，每个类加载器都拥有一个独立的类名称空间。也就是说：比较两个类是否「相等」，只要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。

双亲委派模型

从 Java 开发者的角度来看，类加载器可以划分为：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这个类加载器负责将存放在 <JAVA_HOME>\lib 目录中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启动类加载器，纳智捷使用 null 代替即可；
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个类加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现，它负责加载 <JAVA_HOME>\lib\ext 目录中，或者被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器；
• 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由 sun.misc.Launcher$App-ClassLoader 实现。getSystemClassLoader() 方法返回的就是这个类加载器，因此也被称为系统类加载器。它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，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。

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，在必要时还可以自己定义类加载器。它们的关系如下图所示：

类加载器的关系

从上往下，层层递进

1. Bootstrap Classloader 是在Java虚拟机启动后初始化的。
2. Bootstrap Classloader 负责加载 ExtClassLoader，并且将 ExtClassLoader的父加载器设置为 Bootstrap Classloader。
3. Bootstrap Classloader 加载完 ExtClassLoader 后，就会加载 AppClassLoader，并且将 AppClassLoader 的父加载器指定为 ExtClassLoader。

类加载器的作用

类加载器的特点

• 层级结构：Java里的类装载器被组织成了有父子关系的层级结构。Bootstrap类装载器是所有装载器的父亲。
• 代理模式： 基于层级结构，类的代理可以在装载器之间进行代理。当装载器装载一个类时，首先会检查它在父装载器中是否进行了装载。如果上层装载器已经装载了这个类，这个类会被直接使用。反之，类装载器会请求装载这个类
• 可见性限制：一个子装载器可以查找父装载器中的类，但是一个父装载器不能查找子装载器里的类。
• 不允许卸载：类装载器可以装载一个类但是不可以卸载它，不过可以删除当前的类装载器，然后创建一个新的类装载器装载。

打破双亲委派模型

打破双亲委派机制则不仅要继承ClassLoader类，还要重写loadClass和findClass方法。