五、类加载机制
概述
- 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。
类加载的时机
- 类的生命周期：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）、卸载（Unloading）七个阶段。
其中验证、准备和解析统称为连接。
- 有且只有5种情况必须立即对类进行初始化（加载、验证、准备和初始化自然得在初始化前完成）
- 遇到new、getstatic、putstatic和invokestatic这四条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要触发其初始化（初始化自然存在类的加载）。这四条指令最常见的场景：使用new关键字实例化对象、获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）的时候和使用一个类的静态方法时。
- 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果没有对类进行过初始化，则触发初始化。
- 当初始化一个子类时，发现其父类没有初始化时，需先触发父类的初始化。
- 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（含有main方法的类）时，虚拟机会先初始化这个类。
- 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。
类加载的过程（加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段）
1、加载
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加载是类加载过程一个阶段，在加载阶段虚拟机需要完成三件事情： 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区域。 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。
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一个非数组类的加载阶段（准确的说，是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作）是开发人员可控性最强的，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式。（即重写一个类加载器的loadClass（）方法）
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对于数组而言，情况有所不同，数组类本身不通过类加载器创建，它是由java虚拟机直接创建的。但是，数组类的元素类型最终是要靠类加载器去创建。
2、验证
- 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。验证阶段大致上会完成一下四个阶段的验证动作：
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文字格式验证
- 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。
- 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，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。
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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。
- 主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。
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字节码验证
- 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。
- 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。
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符号引用验证
- 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。
- 这个阶段发生在将符号引用转化为直接引用的时候（解析阶段中发生），目的是确保解析动作能正常执行。
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3、准备
- 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。
- 实例变量不会在这阶段分配内存，它会在对象实例化时随着对象一起被分配在堆中。应该注意到，实例化不是类加载的一个过程，类加载发生在所有实例化操作之前，并且类加载只进行一次，实例化可以进行多次。
- 下边的类变量被初始化之后为0值而不是123。
public static int value = 123;
- 如果类变量是常量，将别初始化为常量所代表的值而不是0值。
public static final int value = 123;
4、解析
- 将常量池的符号引用替换为直接引用的过程。
- 符号引用：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。与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定加载到内存中。
- 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。与虚拟机实现的内存布局有关，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不会相同。
- 解析动作主要就是在常量池中寻找类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄、调用点限定符等7类符号引用，把这些符号引用替换为直接引用。
5、初始化
- 初始化阶段才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码。在准备阶段，类变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其它资源。初始化阶段是虚拟机执行类构造器()方法的过程。
- clinit()方法执行过程中的一些细节特点：
- clinit() 是由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并产生的，编译器收集的顺序由语句在源文件中出现的顺序决定。特别注意的是，静态语句块只能访问到定义在它之前的类变量，定义在它之后的类变量只能赋值，不能访问。
public class Test {
static {
i = 0; // 给变量赋值可以正常编译通过
System.out.print(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用”
}
static int i = 1;
}
2. 虚拟机会保证在子类的 clinit()方法执行之前，父类的该方法已经执行完毕，虚拟机中第一个被执行的clinit()方法的类肯定是java.lang.Object。
3. 由于父类的 clinit() 方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块的执行要优先于子类。
static class Parent {
public static int A = 1;
static {
A = 2;
}
}
static class Sub extends Parent {
public static int B = A;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(Sub.B); // 2
}
4. clinit() 方法对于类或接口来说并不是必需的，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 clinit() 方法。
5.接口中不可以使用静态语句块，但仍然有类变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成 clinit() 方法。但接口与类不同的是，执行接口的 clinit() 方法不需要先执行父接口的 clinit() 方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的 clinit() 方法。
6. 虚拟机会保证一个类的 clinit() 方法在多线程环境下被正确的加锁和同步，如果多个线程同时初始化一个类，只会有一个线程执行这个类的 clinit() 方法，其它线程都会阻塞等待，直到活动线程执行 clinit() 方法完毕。如果在一个类的 clinit() 方法中有耗时的操作，就可能造成多个线程阻塞，在实际过程中此种阻塞很隐蔽。
类加载器
- 虚拟机设计团队把类加载阶段的通过一个类的全限定名获取此类的二进制字节流这个动作放到Java虚拟机外部实现，以便让开发人员自己决定如何获取所需要的类，实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。
1、类与类加载器
- 对于任意一个类，都需要加载它的类加载器和这个类本身一同确定其所在虚拟机的唯一性。通俗地说，比较两个类是否相等，只有在相同的类加载器的前提下才有意义，否则，即使这两个类来自于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要类加载器不一样，这两个类就不可能相等。
2、双亲委派模型
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从开发人员的角度来看，绝大部分java程序都会使用到以下3种系统提供的类加载器：
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）： 这个类负责将放在<JAVA_HOME>\lib目录下的并且被虚拟机识别的（按照文件名识别，名字不符合的类库即使放在lib目录下也不会被加载）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。
- 扩展类加载器（Extension ClassLoader）： 它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录下的所有类库，开发者可以直接使用拓展类加载器。
- 应用程序类加载器（Application ClassLoader）: 它负责加载用户类路径(ClassPath)下所指定的类库，开发者可以直接使用。如果程序中没有自定义自己的类加载器，一般情况下这个就是程序默认的类加载器。
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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，其余的类加载器都应该有自己的父类加载器、但是这里的类加载器之间的父子关系不是以继承关系实现的，而是使用组合关系来复用父类加载器。
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双亲委派模型的工作流程 如果一个类加载器收到了一个类加载请求，它不会自己去加载这个类，而是将请求委派给它的父类加载器去加载，每一个层次的类加载器都是这样，因此所有的类加载请求最终都会落到顶层的启动类加载器，只有当父类加载器五法加载这个请求时（它的搜索范围中没有找到所需的类），子加载器才会尝试自己去加载。使用双亲委派的好处就是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。
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双亲委派的实现 先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法，依次向上递归。若父类加载器为空则说明递归到启动类加载器了。如果从父类加载器到启动类加载器的上层次的所有加载器都加载失败，则调用自己的findClass()方法进行加载。
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
//首先,检查请求的类是否已经被加载过
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
try {
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// 如果父类抛出ClassNotFoundException 异常
// 说明父类加载器无法完成加载请求
}
if (c == null){
//在父类加载器无法完成加载请求的时候
//在调用本身的findClass()方法
c = findClass(name);
}
}
if (resolve){
resolveClass(c);
}
return c;
}
