类加载机制

Posted 2020-09-28 日积跬步，以致千里

    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），其中验证、准备和解析3个部分统称为连接（Linking）。加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，解析阶段则不一定，可能在初始化之后，如运行时绑定（动态绑定）。

虚拟机规范严格规定了有且只有5种情况必须对类进行“初始化”

    1、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修饰的在编译期就能确定结果的静态字段除外，会直接在编译期放入常量池。通过子类类名调用父类的静态变量只会初始化父类，不会初始化子类）的时候；调用一个类的静态方法的时候。如果类没有进行过初始化，必须先初始化。

    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，必须先进行初始化。

    3、当初始化一个类的时候，如果发现其父类没有初始化过，则先要初始化父类。

    4、执行一个类的main()方法时，需要先初始化此类。

    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，则需要先触发其初始化。（暂时不理解）

类加载过程

    加载：加载阶段，虚拟机要完成以下3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：此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。验证阶段的4个校验动作：

        1）文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范。

        2）元数据验证：对字节码描述的信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

        3）字节码验证：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。

        4）符号引用验证：此校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，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：准备阶段为类变量（static修饰的变量）分配内存并设置类变量的初始值（数据类型的零值，如static int value = 123，经过准备阶段后value的值为0，赋值为123是在初始化阶段完成的；如果是字面常量（static final 修饰），如static final int value = 123，准备阶段后value的值为123），这些变量所使用的内存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。 

    初始化：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所有类变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并生成的，按照代码出现的顺序收集。父类静态代码先于子类执行。

类加载器

    启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：使用C++ 语言实现，是虚拟机自身的一部分。启动类加载器负责将存放在<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。Java程序无法直接引用此加载器，如果要把加载请求委派给启动类加载器，直接使用null替代即可。

    扩展类加载器（Extension ClassLoader）：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。

    应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载用户类路径（ClassPath）上所有指定的类库。如果程序中没有自定义过类加载器，一般情况下应用程序类加载器是程序的默认类加载器。

    对于一个类，如果被不同的类加载器加载，被加载之后是不同的，每个类加载器都有独立的命名空间。

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，其余的加载器都应当有自己的父类加载器。自定义类加载器—>应用程序类加载器—>扩展类加载器—>启动类加载器

    双亲委派模型的工作流程：如果一个类加载器收到了类加载请求，它首先不会自己尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一层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启动类加载器，只有当父类加载器无法完成这个加载请求时（在搜索范围内没有找到所需要的类），子类才会尝试自己加载。

双亲委派模型的优点

    类加载器具有优先级关系，对于一个指定的类，只能被一个固定加载器加载，如加载rt.jar中的Object类，由于双亲委派模型，最终会将加载请求传送到启动类加载器，并由其加载。如果没有双亲委派模型，各个类加载器都去加载Object类，将会出现多个不同的Object类。