Java虚拟机——类加载机制

Java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，这个过程被称作虚拟机的类加载机制

类加载的过程

在Java语言里面，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成

        一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历:加载 （Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化 （Initialization）、使用（Using）和 卸载（Unloading）七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分统称为连接（Linking）

加载

     在加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情：

• 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。 
• 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。
• 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。

       加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了。

        类型数据妥善安置在方法区之后，会在Java堆内存中实例化一个java.lang.Class类的对象， 这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口。 

      加载阶段与连接阶段的部分动作（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的一部分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

验证

         验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的约束要求。验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

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。这一阶段可能包括下面这些验证点：

• 是否以魔数 0xCAFEBABE 开头。

• 主、次版本号是否在当前Java虚拟机接受范围之内。 

• 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型（检查常量tag标志）。

• 指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量。 

• CONSTANT_UTF8_INFO 型的常量中是否有不符合UTF-8编码的数据。

• Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。

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，这个阶段可能包括的验证点如下： 

• 这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）。

• 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）。 

• 如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或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（例如覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的方 法重载，例如方法参数都一致，但返回值类型却不同等）。

字节码验证

       主要目的是通过数据流分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的，这阶段对类的方法体（Class 文件中的 Code 属性）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行为，例如： 

• 保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现类似于“在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中”这样的情况。

• 保证任何跳转指令都不会跳转到方法体以外的字节码指令上。 

• 保证方法体中的类型转换总是有效的，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，但是不允许把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系。

字节码验证符号引用验证

       最后一个阶段的校验行为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作是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的各类信息进行匹配性校验，通俗来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。本阶段通常需要校验下列内容：

• 符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。 

• 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符及简单名称所描述的方法和字段。 

• 符号引用中的类、字段、方法的可访问性（private、protected、public）是否可被当前类访问。

       符号引用验证的主要目的是确保解析行为能正常执行，如果无法通过符号引用验证，Java虚拟机将会抛出一个 java.lang.IncompatibleClassChangeError 的子类异常，典型的如：

• java.lang.IllegalAccessError
• java.lang.NoSuchFieldError
• java.lang.NoSuchMethodError等。

准备

        准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。

public static int value = 123;

       变量 value 在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时尚未开始执行任何Java方法，而把 value 赋值为123的 putstatic 指令是程序被编译后，存放于类构造器()方法之中，所以把 value 赋值为123的动作要到类的初始化阶段才会被执行

                                                        基本数据类型的零值

public static final int value = 123;

       如果类字段的字段属性表中存在  ConstantValue 属性，那在准备阶段变量值就会被初始化为 ConstantValue 属性所指定的初始值，将value赋值为123。

解析

        解析阶段是Java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。
• 直接引用（Direct References）：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。

初始化

        直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。进行准备阶段时，变量已经赋过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。我们也可以从另外一种更直接的形式来表达：

初始化阶段就是执行类构造器 clinit() 方法的过程。

        clinit() 方法是由编译器所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问

       clinit() 方法与类的构造函数不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在父类的clinit()方法先执行，也意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。因此在Java虚拟机中第一个被执行的 clinit() 方法的类型肯定是java.lang.Object。

       clinit()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clinit()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，接口一样会生成 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， 因为只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。此外，接口的实现类在初始化时也 一样不会执行接口的clinit()方法。 

      Java虚拟机必须保证一个类的clinit()方法在多线程环境中被正确地加锁同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有其中一个线程去执行这个类的clinit()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行完毕clinit()方法。如果在一个类的clinit()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个进程阻塞 。

类加载器

      把类加载阶段中的 “通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流” 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的类。实现这个动作的代码被称为 类加载器”（Class Loader）。

       对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性，比较两个类是否 “相等” ，只有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Java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。

Java三层类加载器

启动类加载器（Bootstrap Class Loader）

        负责加载存放在 <JAVA_HOME>\lib目录，或者被 -Xbootclasspath 参数所指定的路径中存放的，而且是Java虚拟机能够识别的（按照文件名识别，如 rt.jar、tools.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机的内存中。

       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引导类加载器去处理，那直接使用 null 代替即可

扩展类加载器（Extension Class Loader）

       这个类加载器是在类  sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 中以Java代码的形式实现的。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所有的类库。

应用程序类加载器（Application Class Loader）

         这个类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 来实现。由于应用程序类加载器是 ClassLoader 类中的 getSystem- ClassLoader() 方法的返回值，也称它为“系统类加载器”。它负责加载用户类路径 （ClassPath）上所有的类库。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。

双亲委派模型

       各种类加载器之间的层次关系被称为类加载器的“双亲委派模型（Parents Delegation Model）”。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有自己的父类加载器。不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承（Inheritance）的关系来实现的，而是通常使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。

        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最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（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载。

      例如类 java.lang.Object，它存放在 rt.jar 之中，无论哪一 个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object 在程序的各种类加载器环境中都能够保证是同一个类。反之，如果没有使用双亲委派模型，都由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己也编写了一个名为 java.lang.Object 的类，并放在程序的 ClassPath中，那系统中就会出现多个不同的Object类，应用程序将会变得一片混乱。

//双亲委派模型的实现
protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        // 首先，检查请求的类是否已经被加载过了
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            try {
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
            // 如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
            // 说明父类加载器无法完成加载请求
            }
            if (c == null) {
                 // 在父类加载器无法加载时
                // 再调用本身的findClass方法来进行类加载
                c = findClass(name);
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
}

实例分析

Tomcat：正统的类加载器架构

          在Tomcat目录结构中，可以设置3组目录（/common/*、/server/*和/shared/*，但默认不一定是开放的，可能只有/lib/*目录存在）用于存放Java类库，另外还应该加上Web应用程序自身的“/WEB- INF/*”目录，一共4组。把Java类库放置在这4组目录中，每一组都有独立的含义，分别是：

• 放置在/common目录中。类库可被Tomcat和所有的Web应用程序共同使用。

• 放置在/server目录中。类库可被Tomcat使用，对所有的Web应用程序都不可见。

• 放置在/shared目录中。类库可被所有的Web应用程序共同使用，但对Tomcat自己不可见。

• 放置在/WebApp/WEB-INF目录中。类库仅仅可以被该Web应用程序使用，对Tomcat和其他Web应 用程序都不可见。

       为了支持这套目录结构，并对目录里面的类库进行加载和隔离，Tomcat自定义了多个类加载器， 这些类加载器按照经典的双亲委派模型来实现

       Common类加载器、Catalina类加载器（也称为Server类加载器）、Shared类加载器和Webapp类加载器则是Tomcat自己定义的类加载器，它们分别加 载/common/*、/server/*、/shared/* 和 /WebApp/WEB-INF/*中的Java类库。

       其中 WebApp 类加载器和JSP类加载器通常还会存在多个实例，每一个Web应用程序对应一个WebApp类加载器，每一个JSP文件对应一个JasperLoader 类加载器。

       Common类加载器能加载的类都可以被 Catalina 类加载器和 Shared 类加载器使用，而Catalina类加载器和Shared类加载器自己能加载的类则与对方相互隔离。WebApp类加载器可以使用Shared类加载器加载到的类，但各个WebApp类加载器实例之间相互隔离。

      而 JasperLoader 的加载范围仅仅是这个JSP文件所编译出来的那一个Class文件，它存在的目的就是为了被丢弃：当服务器检测到JSP文件被修改时，会替换掉目前的JasperLoader的实例，并通过再建立一个新的JSP类加载器来实现JSP文件的HotSwap功能。

类加载器可以说是Java语言的一项创新，它是早期Java语言能够快速流行的重要原因之一。

参考

深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）