JVM学习——类加载机制

类加载机制

• 加载：从各个地方加载 class 文件（本地、网络、zip、数据库等）到内存中，在内存中就变为方法区的运行时数据结构，在 Java 堆中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

• 验证：是否满足当前虚拟机要求

  • 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，该验证的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内。经过该阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，后面的三个验证都是基于方法区的存储结构进行的。

  • 元数据验证，对类的元数据信息进行语义校验（其实就是对类中的各数据类型进行语法校验），保证不存在不符合 Java 语法规范的元数据信息。

  • 字节码验证，该阶段验证的主要工作是进行数据流和控制流分析，对类的方法体进行校验分析，以保证被校验的类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。

  • 符号引用验证，这是最后一个阶段的验证，它发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候（解析阶段中发生该转化，后面会有讲解），主要是对类自身以外的信息（常量池中的各种符号引用）进行匹配性的校验。

• 准备：在方法区为类变量分配内存空间，赋初始值（0，null，false等）

  注意：public static final int v = 8080; 如果类变量加上 final，那么此时值将是赋值的值。final 表示不可变，所以在准备阶段就赋指定值。

• 解析：将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程，解析阶段可能开始于初始化之前，也可能在初始化之后开始

  • 符号引用，符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号引用可以是任何形式的字面量，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在内存中。

  • 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。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同的虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般都不相同，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：是执行类构造器方法的过程。方法是由编译器自动收集类中的类变量的赋值操作和静态语句块中的语句合并而成的。

  类初始化方法。编译器会按照其出现顺序，收集类变量的赋值语句、静态代码块，最终组成类初始化方法。类初始化方法一般在类初始化的时候执行。

  对象初始化方法。编译器会按照其出现顺序，收集成员变量的赋值语句、普通代码块，最后收集构造函数的代码，最终组成对象初始化方法。对象初始化方法一般在实例化类对象的时候执行。

  • 触发初始化情况

    1. 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 这四条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这 4 条指令的最常见的 Java 代码场景是：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、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
    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（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 JDK1.7 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初始化，则需要先出触发其初始化。

  • 注意以下几种情况不会执行类初始化：

    1. 通过子类引用父类的静态字段，只会触发父类的初始化，而不会触发子类的初始化。
    2. 定义对象数组，不会触发该类的初始化。
    3. 常量在编译期间会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用定义常量的类，不会触发定义常量所在的类。
    4. 通过类名获取Class对象，不会触发类的初始化。
    5. 通过Class.forName加载指定类时，如果指定参数initialize为false时，也不会触发类初始化，其实这个参数是告诉虚拟机，是否要对类进行初始化。
    6. 通过ClassLoader默认的loadClass方法，也不会触发初始化动作

接口的初始化过程与类初始化过程的不同。

接口也有初始化过程，上面的代码中我们都是用静态语句块来输出初始化信息的，而在接口中不能使用“static{}”语句块，但编译器仍然会为接口生成类构造器，用于初始化接口中定义的成员变量（实际上是 static final 修饰的全局常量）。

二者在初始化时最主要的区别是：当一个类在初始化时，要求其父类全部已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量），才会初始化该父接口。这点也与类初始化的情况很不同，回过头来看第 2 个例子就知道，调用类中的 static final 常量时并不会 触发该类的初始化，但是调用接口中的 static final 常量时便会触发该接口的初始化。

• 使用

• 卸载

例子

两道面试题，带你解析Java类加载机制

1. 确定类变量的初始值。在类加载的准备阶段，JVM 会为类变量初始化零值，这时候类变量会有一个初始的零值。如果是被 final 修饰的类变量，则直接会被初始成用户想要的值。

2. 初始化入口方法。当进入类加载的初始化阶段后，JVM 会寻找整个 main 方法入口，从而初始化 main 方法所在的整个类。当需要对一个类进行初始化时，会首先初始化类构造器（），之后初始化对象构造器（）。

3. 初始化类构造器。JVM 会按顺序收集类变量的赋值语句、静态代码块，最终组成类构造器由 JVM 执行。

4. 初始化对象构造器。JVM 会按照收集成员变量的赋值语句、普通代码块，最后收集构造方法，将它们组成对象构造器，最终由 JVM 执行。

类加载器

从虚拟机的角度来说，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），该类加载器使用 C++ 语言实现，属于虚拟机自身的一部分。另外一种就是所有其它的类加载器，这些类加载器是由Java语言实现，独立于 JVM 外部，并且全部继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。

从Java开发人员的角度来看，大部分Java程序一般会使用到以下三种系统提供的类加载器：

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader) ：负责加载 JAVA_HOME\lib 目录中的，或通过 -Xbootclasspath 参数指定路径中的，且被虚拟机认可（按文件名识别，如rt.jar）的类。

扩展类加载器(Extension ClassLoader)：负责加载 JAVA_HOME\lib\ext 目录中的，或通过java.ext.dirs系统变量指定路径中的类库。

应用程序类加载器(Application ClassLoader)：负责加载用户路径（classpath）上的类库。 JVM通过双亲委派模型进行类的加载，当然我们也可以通过继承java.lang.ClassLoader实现自定义的类加载器。

博客参考

两道面试题，带你解析Java类加载机制