第七章 虚拟机类加载机制

第六章 类文件结构 像一个字典章节，主要介绍字节码相关，咱就不说了，有需要的时候查书比较合适。

7.2 类加载机制

关于在什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段“加载”，《Java 虚拟机规范》中并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，《Java 虚拟机规范》则是严格规定了有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

1.遇到 new、 getstatic、 putstatic 或 invokestatic 这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型Java 代码场景有：

• 使用 new 关键字实例化对象的时候。

• 读取或设置一个类型的静态字段（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。

• 调用一个类型的静态方法的时候。

2.使用 java.lang.reflect 包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。例如：Class.forName()

3.当初始化类的时候，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。

会默认先使用子类的加载器进行加载，然后遵循双亲委派机制，同时如果使用到的某个类没有发生加载，也会使用当前类的类加载器去加载(经验证是正确的)。也就是说如果当前使用的AppClassLoader那么还可以向上找到bootstrap，但是如果当前使用的是bootstrap，那么就不能向下找了。

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 JDK 7 新加入的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果为 REF_getStatic、REF_putStatic、 REF_invokeStatic、 REF_newInvokeSpecial 四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

6.当一个接口中定义了 JDK 8 新加入的默认方法（被 default 关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

7.3 类加载的过程

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类型的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持 Java 语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）。

7.3.1 加载

主要目的：

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。

? 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，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义。

? 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。

7.3.2 验证

从代码量和耗费的执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载过程中占了相当大的比重。

? 有以下四个阶段：

1.文件格式验证

? 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。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证之后，这段字节流才被允许进入 Java 虚拟机内存的方法区中进行存储，所以后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构上进行的，不会再直接读取、操作字节流了。

2.元数据验证

主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在与《Java 语言规范》定义相悖的元数据信息。

3.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分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。

4.符号引用验证

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。

7.3.3 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），也就是类变量，分配内存并设置类变量初始值的阶段，从概念上讲，这些变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配，但必须注意到方法区本身是一个逻辑上的区域。

例如：

public static int value = 123;

? 那变量 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<clinit>()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。

? 上面提到在“通常情况”下初始值是零值，那言外之意是相对的会有某些“特殊情况”：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，假设上面类变量 value 的定义修改为：

public static **final** int value = 123;

? 编译时 Javac 将会为 value 生成 ConstantValue 属性，在准备阶段虚拟机就会根据Con-stantValue 的设置将 value 赋值为 123。

7.3.4 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。

? 解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符这 7 类符号引用进行，分别对应于常量池的 CONSTANT_Class_info、 CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info、 CONSTANT_Dyna-mic_info 和CONSTANT_InvokeDynamic_info 8 种常量类型。

四种解析方法：

1.类或接口的解析

2.字段解析

3.方法解析

4.接口方法解析

7.3.5 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。

? 初始化阶段就是执行类构造器<clinit>()方法的过程。注意哦，这里并不是执行实例构造器<init>()方法

1.<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（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，

2.不需要显式地调用父类构造器， Java 虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行前，父类<clinit>()方法已经执行完毕

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要优先于子
类的变量赋值操作。

4.<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。

5.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，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，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。

6.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。

7.4 类加载器

Java 虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的“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）。

7.4.1 类与类加载器

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，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。

7.4.2 双亲委派模型

1.站在 Java 虚拟机的角度来看，只存在两种不同的类加载器：

1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用 C++语言实现，是虚拟机自身的一部分。
2. 其他所有的类加载器，这些类加载器都由 Java 语言实现，独立存在于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。

2.JDK8及之前版本的三层类加载器

3.双亲委派模型

工作过程：

? 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。

7.4.3 破坏双亲委派模型

1.第一次“被破坏”其实发生在双亲委派模型出现之前——即 JDK 1.2面世以前的“远古”时代。

2.由这个模型自身的缺陷导致的，双亲委派很好地解决了各个类加载器协作时基础类型的一致性问题。基础类型之所以被称为“基础”，是因为它们总是作为被用户代码继承、调用的API 存在，但程序设计往往没有绝对不变的完美规则，如果有基础类型又要调用回用户的代码，那该怎么办呢？

解决：线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过 java.lang.Thread 类的setContext-ClassLoader()方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

个人感悟

参考：https://blog.csdn.net/yangcheng33/article/details/52631940
https://blog.csdn.net/yangcheng33/article/details/52464898

加载某个类，如果该类有父类，那么会先加载父类，首先使用的是子类的类加载器，然后遵循双亲委派机制，同时如果该类里面使用的类没有加载，那么会用该类的类加载器去加载这个类。

有关线程上下文类加载器的解释：

我觉得根本原因是因为Java是面向接口编程，jdk中例如jdbc相关的类B，只是提供了接口，也就是定义了规范，具体是要各个厂商自己实现的。但是jdk中有类A就需要使用这个类，实际运行的时候肯定不是用的接口，而是实现类，在加载类A的时候是bootstrap加载的发现类B的实现类C还未加载，则去加载类C，这里默认先用类A的加载器去加载，类C并不是在bootstrap加载的范围内的，而且按照双亲委派机制，是要从bootstrap往上找加载器的，很显然找不到，所以只能从线程上下文类加载器去加载。

3.由于用户对程序动态性的追求而导致的，这里所说的“动态性”指的是一些非常“热”门的名词：代码热替换（Hot Swap）、模块热部署（Hot Deployment）等。